CN108520996B - 一种表面贴电阻的基片集成波导衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明属于微波电路技术，特别涉及一种基于表面贴电阻的基片集成波导SIW衰减器。本发明在SIW本体中，沿着与电磁场传播的垂直方向等距离开3条槽线，并在其中引入等间距的耗能元件‑电阻，增加传播通道上的损耗。当电磁波在SIW本体中传播的时候，被槽线隔断的SIW表面结构将阻挡电磁波的继续传播，此时表面贴电阻在传播的同时对信号进行一定程度的衰减。其衰减量的大小与电阻值成正比关系：当电阻值是零欧时，近似于常规的SIW结构，无衰减；当电阻值无穷大时，等效于SIW本体被槽线隔断，传输通道断开。本发明提供了一种新的SIW衰减器结构，增加了带宽，并获得了更好的平坦度。

Description

一种表面贴电阻的基片集成波导衰减器
技术领域
本发明涉及微波衰减器，具体涉及一种表面贴电阻的基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide,SIW)衰减器。
背景技术
衰减器用来对微波信号的功率进行调整，常用来将大功率衰减到预定的功率值范围，提高电路稳定性，改善匹配网络的端口特性等。常用的衰减器实现在各种传输线中(如微带线、共面波导、接地共面波导等)，通常的网络结构形式为π型或T型。理想的电阻器件性能与频率的变化无关，在工程实践中，通过缩小电阻的体积、提高加工精度等方法可以提高π型或T型衰减器的工作频率。
基片集成波导是一种新型的微波传输线结构，其设计思想来源于传统波导结构。通过加工在介质基板上的两排金属化通孔实现类似于金属波导的场传播模式，一般传输TE10模。基片集成波导本身具备了传统金属波导和微带线的优点，能够在平面电路中很方便的实现高性能微波毫米波电路结构。
根据工程实践经验和现有的文献报道，对信号功率的衰减普遍实现在基于π型或T型衰减网络的微带线上。另一方面，如果传输信号的结构形式是SIW，需要引入两个SIW到微带线的过渡结构，这会增加电路的面积和成本。为减小电路面积和提高模块的小型化，实现在SIW本体结构上的衰减器结构形式主要有三种方法。
研究者Dong-Sik Eom等将电阻型的π型衰减网络引入SIW本体结构中，以实现对功率的衰减，参见文献Dong-Sik Eom,Hai-Young Lee,“An X-band substrate integratedwaveguide attenuator,”Microwave and Optical Technology Letters,2014,56(10):2446-2449。
研究者X.R.Feng等基于周期性加载PIN二极管的方法实现了压控SIW连续衰减器，不同的PIN正向电流对应不同的导通电阻值，从而实现了衰减量的连续变化。参见文献X.R.Feng,A.J.Farrall,and P.R.Young,“Analysis of Loaded Substrate IntegratedWaveguides and Attenuators,”IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2014,24(1):62-64。
研究者L.Zheng等提出一种多层SIW的衰减器结构形式，其存在的多个衰减谐振腔用来对信号进行逐级衰减。参见文献L.Zheng,L.Zhu,and G.Xiao,“A Novel MicrowaveAttenuator on Multilayered Substrate Integrated Waveguide,”IEEE Transactionson Components Packaging and Manufacturing Technology,2016,6(7):1106-1112。
在以上三种方法中，各有优缺点：第一种方法的工作带宽不足(32％，8.01-11.12GHz)；第二种方法的电路实现较复杂且指标还需要改善(需要28个PIN二极管及其外围电路，实用性有待商榷。文中虽未明确给出衰减平坦度，但从图5中可看出衰减平坦度不足)；第三种方法的工作带宽不足(13％，14.7-16.75GHz)，且电路面积较大(大于10*100mm2)。故这三种方法均有其自身的局限性。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为解决现有SIW衰减器存在的自身局限性，本发明提供了一种表面贴电阻的基片集成波导衰减器。
该SIW衰减器基于常规的基片集成波导电路结构，包括SIW本体、渐变线和微带线，SIW本体通过两条渐变线与两条微带线相连。所述SIW本体设有3条互相平行等距的槽线，用于安装贴片电阻，并引入4个匹配用的金属化通孔。
SIW本体宽边长度为Ws(两行金属化通孔的行间距)，长边为Ls；渐变线与SIW本体宽边的衔接边为Wt，在两条Wt的上下两侧各自引入一个匹配用的共计4个金属化通孔，且4个匹配用金属化通孔与SIW本体的几何中心成轴对称和中心对称。
所述3条槽线沿垂直于SIW本体中电磁波传播方向设置，长度Lc有Ws-2*Dvp≤Lc≤Ws，宽度Gap有Gap≤0.15mm；中间槽线的几何中心与SIW本体的几何中心重合；
各槽线中的贴片电阻设置一致，均以Gap_W等间距设置且沿SIW本体中心对称，0mm＜Gap_W＜Ws/5，贴片电阻的阻值R均相同。
Lm为微带线的长度，Wm为微带线的线宽，Lt为渐变线长度，Dvp为金属化通孔的直径，Svp为同行相邻金属化通孔的中心孔间距，Lx为匹配用金属化通孔的圆心距离对应的SIW本体宽边横向距离，0mm＜Lx＜3mm，Ly为匹配用金属化通孔与同侧金属化通孔的纵向孔心距，0mm＜Ly＜(Ws-Wt)/2，Gap_L为相邻槽线的中心间距。
本发明衰减器中，电磁波在SIW本体以TE10模式进行传播，传输结构中的正反面需要金属层覆盖以约束电磁波的传播边界。常规的SIW结构中，损耗大部分来自于介质基板本身的介质损耗角正切。为了增加传播通道上的损耗，我们引入耗能元件-电阻。当电磁波在SIW本体中传播的时候，被槽线隔断的SIW表面结构将阻挡电磁波的继续传播，此时若在槽线两侧放置表面贴电阻，就能在传播TE10模的同时对信号进行一定程度的衰减。衰减量的大小与电阻值成正比关系：当电阻值是零欧时，近似于常规的SIW结构，无衰减；当电阻值无穷大时，等效于SIW本体被槽线隔断，传输通道断开。
综上所述，本发明提供了一种新的SIW衰减器结构，获得了更宽的带宽和更好的平坦度。
附图说明
图1是实施例衰减器的俯视图；
图2是实施例的仿真S21参数曲线；
图3是实施例的仿真S11参数曲线(0dB，1dB，2dB)；
图4是实施例的仿真S11参数曲线(3dB，4dB，5dB)；
附图标记：匹配用的金属化通孔-1，SIW本体-2，金属化通孔-3，微带线-4，渐变线-5，槽线-6，贴片电阻-7。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
依据前述提及的基于表面贴电阻的SIW衰减器，实现在RT/Duroid 5880的介质基片上，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。所有贴片电阻均选择01005封装的电阻，每条槽线中有9个电阻，3条槽线共计27个电阻。
经过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真并优化后，获得了最佳的参数尺寸，具体如下表所示：
Figure BDA0001677675630000031
仿真结果如下所示：
当电阻值R取0Ω时，其工作频率范围7-14.4GHz(69.2％)，衰减器的固有插损优于0.9dB，回波损耗优于-13.5dB；
当电阻值R取8.2Ω时，其工作频率范围7-14.5GHz(69.8％)，对应1dB衰减量，衰减器的插损为2.2±0.2dB，回波损耗优于-14dB；
当电阻值R取12Ω时，其工作频率范围7-14.6GHz(70.4％)，对应2dB衰减量，衰减器的插损为2.9±0.3dB，回波损耗优于-13.8dB；
当电阻值R取20Ω时，其工作频率范围7.2-14.6GHz(67.9％)，对应3dB衰减量，衰减器的插损为4.05±0.15dB，回波损耗优于-15dB；
当电阻值R取27Ω时，其工作频率范围7.2-14.6GHz(67.9％)，对应4dB衰减量，衰减器的插损为5.1±0.15dB，回波损耗优于-13.1dB；
当电阻值R取33Ω时，其工作频率范围7.2-14.6GHz(67.9％)，对应5dB衰减量，衰减器的插损为5.9±0.15dB，回波损耗优于-12.5dB；
根据以上仿真结果，基于表面贴电阻的SIW衰减器在7.2-14.4GHz的工作频段内(相对带宽66.7％)，其固有插损小于0.9dB，电阻值R取8.2Ω，12Ω，20Ω，27Ω和33Ω时，分别对应的衰减量为2.2±0.2dB、2.9±0.3dB、4.05±0.15dB、5.1±0.15dB和5.9±0.15dB。

Claims (2)

1.一种表面贴电阻的基片集成波导衰减器，包括SIW本体、渐变线和微带线，SIW本体通过两条渐变线与两条微带线相连，其特征在于：
所述SIW本体设有3条互相平行等距的槽线，用于安装贴片电阻，并引入4个匹配用的金属化通孔；
SIW本体宽边长度为Ws，即两行金属化通孔的行间距，长边为Ls；渐变线与SIW本体宽边的衔接边为Wt，在两条Wt的上下两侧各自引入一个匹配用的共计4个金属化通孔，且4个匹配用金属化通孔与SIW本体的几何中心成轴对称和中心对称；
所述3条槽线沿垂直于SIW本体中电磁波传播方向设置，长度Lc有Ws-2*Dvp≤Lc≤Ws，宽度Gap有Gap≤0.15mm；中间槽线的几何中心与SIW本体的几何中心重合；
各槽线中的贴片电阻设置一致，均以Gap_W等间距设置且沿SIW本体中心对称，0mm＜Gap_W＜Ws/5，贴片电阻的阻值R均相同；
Lm为微带线的长度，Wm为微带线的线宽，Lt为渐变线长度，Dvp为金属化通孔的直径，Svp为同行相邻金属化通孔的中心孔间距，Lx为匹配用金属化通孔的圆心距离对应的SIW本体宽边横向距离，0mm＜Lx＜3mm，Ly为匹配用金属化通孔与同侧金属化通孔的纵向孔心距，0mm＜Ly＜(Ws-Wt)/2，Gap_L为相邻槽线的中心间距；
该表面贴电阻的基片集成波导衰减器中，电磁波在SIW本体以TE10模式进行传播，传输结构中的正反面需要金属层覆盖以约束电磁波的传播边界；当电磁波在SIW本体中传播的时候，被槽线隔断的SIW表面结构将阻挡电磁波的继续传播，在槽线两侧放置的表面贴电阻在传播TE10模的同时对信号进行衰减，衰减量的大小与电阻值成正比关系：当电阻值是零欧时，近似于常规的SIW结构，无衰减；当电阻值无穷大时，等效于SIW本体被槽线隔断，传输通道断开。
2.如权利要求1所述表面贴电阻的基片集成波导衰减器，其特征在于：
所述SIW本体的介质基片为RT/Duroid 5880，相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm，所有贴片电阻均选择相同阻值的01005封装电阻，每条槽线中有9个电阻，3条槽线共计27个电阻；
参数尺寸为：Wm＝1.56mm,Lm＝5mm,Lt＝4.4mm,Wt＝5.05mm,Ws＝22mm,Ls＝25mm,Lx＝0.25mm,Ly＝3.8mm,Svp＝2.3mm,Dvp＝1.4mm,Gap＝0.5mm,Gap_L＝4.5mm,Gap_W＝2mm；
当不衰减时，R为0Ω；当衰减量为1dB时，R为8.2Ω；当衰减量为2dB时，R为12Ω；当衰减量为3dB时，R为20Ω；当衰减量为4dB时，R为27Ω；当衰减量为5dB时，R为33Ω。
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