CN108736120B - 一种基于表面贴电阻型的半模基片集成波导衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波电路技术，具体涉及一种基于表面贴电阻的半模基片集成波导,HMSIW衰减器。本发明在HMSIW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HMSIW本体中传播的时候，被槽线隔断的HMSIW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TE0.5，0模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HMSIW结构，无衰减；当电阻值无穷大时，等效于HMSIW本体被槽线隔断，传输通道断开。本发明提供了一种新的HMSIW衰减器结构，且增加了带宽和平坦度。

Description

一种基于表面贴电阻型的半模基片集成波导衰减器
技术领域
本发明涉及微波衰减器，具体涉及一种基于表面贴电阻的半模基片集成波导(Half Mode Substrate Integrated Waveguide,HMSIW)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(Substrate Integrated Waveguide，SIW)作为一种新型的导波技术已经被广泛地用于微波与毫米波电路，其具有损耗低、微波性能优良、易于集成等优点。另一方面，为了进一步减少电路的面积，半模基片集成波导(HMSIW)传输结构被提出。与基片集成波导相比，半模基片集成波导传输TE0.5，0模，其在保留基片集成波导优点的同时，电路尺寸上缩小近一半。与SIW的性能类似，HMSIW同时也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/HMSIW，常规方法是引入两个SIW/HMSIW到微带线的过渡结构，这会增加电路的面积。为减小电路面积和提高模块的小型化，实现在SIW/HMSIW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HMSIW本体结构中，以实现对功率的衰减，参见文献Dong-Sik Eom,Hai-Young Lee,“Broadband Half Mode SubstrateIntegrated Waveguide Attenuator in 7.29-14.90GHz,”IEEE Microwave and WirelessComponents Letters,2015,25(9):564-566。
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，实现了电场与电路结构的直接转换，用来对微波功率进行衰减，参见文献Dong-Sik Eom,Hai-YoungLee,“An X-band substrate integrated waveguide attenuator,”Microwave andOptical 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。
在以上三种方法中，各有优缺点：第一种实现在HMSIW的衰减器工作带宽还可以进一步提升(68.6％，7.29-14.9GHz)；第二种实现在SIW的衰减器工作带宽明显不足(32％，8.01-11.12GHz)；第三.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，但从其图5中看出衰减平坦度不足)。在可见的相关文献中，只有第一种衰减器是基于HMSIW结构。为了适应更复杂的电路与系统要求，在不恶化性能指标的前提下，我们还需要进一步提升其工作带宽。
发明内容
为了进一步提升HMSIW衰减器的工作带宽，本发明提出了一种基于表面贴电阻型半模基片集成波导衰减器。
该HMSIW衰减器基于常规的半模基片集成波导电路结构，包括HMSIW本体、渐变线和微带线，HMSIW本体通过两条渐变线与两条微带线相连。
所述HMSIW本体设有3条互相平行等距的槽线，用于安装贴片电阻。
HMSIW本体宽边长Ws(金属化通孔行与HMSIW虚拟磁壁面的距离)，长边为Ls，渐变线与HMSIW本体宽边的衔接边为Wt，在两条Wt的金属化通孔一侧各自引入一个匹配用的共计2个金属化通孔，且2个匹配用金属化通孔与HMSIW中的中间槽线成轴对称。
所述3条槽线沿垂直于HMSIW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HMSIW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，0mm＜Gap_W＜Ws/5，每条槽线中最外侧的一个电阻均与HMSIW虚拟磁壁面平齐，所有贴片电阻的阻值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HMSIW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。
本发明中的衰减器工作原理是：电磁波在HMSIW本体中以TE0.5，0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HMSIW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HMSIW本体中传播的时候，被槽线隔断的HMSIW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TE0.5，0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HMSIW结构，无衰减；当电阻值无穷大时，等效于HMSIW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HMSIW衰减器结构，且增加了带宽和平坦度。
附图说明
图1是本发明实施例衰减器的正视图
图2是本发明实施例的仿真S21参数曲线
图3是本发明实施例的仿真S11参数曲线(0dB，1dB，2dB)
图4是本发明实施例的仿真S11参数曲线(3dB，4dB，5dB)
附图标记：金属化过孔-1，微带线-2，渐变线-3，槽线-4，贴片电阻-5，匹配通孔-6，HMSIW本体-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HMSIW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5个电阻，3条槽线共计15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 BDA0001677435800000031
仿真结果如下所示：
当电阻值R取0Ω时，其工作频率范围7.7-18.2GHz(81.1％)，衰减器的固有插损在1.2dB±0.25dB，回波损耗优于-18.7dB；
当电阻值R取6.8Ω时，其工作频率范围7.4-18.1GHz(83.9％)，对应1dB衰减量，衰减器的插损为2.25±0.1dB，回波损耗优于-17.4dB；
当电阻值R取12Ω时，其工作频率范围7.2-17.9GHz(85.3％)，对应2dB衰减量，衰减器的插损为2.9±0.1dB，回波损耗优于-15dB；
当电阻值R取20Ω时，其工作频率范围7.7-17.9GHz(79.7％)，对应3dB衰减量，衰减器的插损为4±0.2dB，回波损耗优于-14dB；
当电阻值R取27Ω时，其工作频率范围8-18GHz(76.9％)，对应4dB衰减量，衰减器的插损为5±0.35dB，回波损耗优于-13dB；
当电阻值R取36Ω时，其工作频率范围8-18.1GHz(77.4％)，对应5dB衰减量，衰减器的插损为6.05±0.45dB，回波损耗优于-11dB；
根据以上仿真结果，基于表面贴电阻的HMSIW衰减器在8-17.9GHz的工作频段内(相对带宽76.4％)，其固有插损为1.2±0.25dB，电阻值R取6.8Ω，12Ω，20Ω，27Ω和36Ω时，分别对应的衰减量为2.25±0.1dB、2.9±0.1dB、4±0.2dB、5±0.35dB和6.05±0.45dB。

Claims (2)

1.一种基于表面贴电阻型半模基片集成波导衰减器，包括HMSIW本体、渐变线和微带线，HMSIW本体通过两条渐变线与两条微带线相连，其特征在于：
所述HMSIW本体设有3条互相平行等距的槽线，用于安装贴片电阻；
HMSIW本体宽边长Ws，即金属化通孔行与HMSIW虚拟磁壁面的距离，长边为Ls；渐变线与HMSIW本体宽边的衔接边为Wt，在两条Wt的金属化通孔一侧各自引入一个匹配用的共计2个金属化通孔，且2个匹配用金属化通孔与HMSIW中的中间槽线成轴对称；
所述3条互相平行等距的槽线沿垂直于HMSIW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；HMSIW本体关于中间槽线对称；
各槽线中的贴片电阻设置一致，均以Gap_W等间距设置，0mm＜Gap_W＜Ws/5，每条槽线中的一个最外侧电阻与HMSIW虚拟磁壁面平齐，所有贴片电阻的阻值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HMSIW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。
2.如权利要求1所述基于表面贴电阻型半模基片集成波导衰减器，其特征在于：
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5个电阻，3条槽线共计15个电阻；
参数尺寸为：Wm＝1.56mm,Lm＝5mm,Lt＝3.5mm,Wt＝4.05mm,Ws＝16mm,Ls＝29mm,Lx＝0.2mm,Ly＝1.9mm,Svp＝2.4mm,Dvp＝1.4mm,Gap＝0.1mm,Gap_L＝3mm,Gap_W＝1.8mm；
其插入损耗优于1.2dB；当电阻值R分别取6.8Ω、12Ω、20Ω、27Ω和36Ω时，依次对应衰减器1dB、2dB、3dB、4dB和5dB衰减量，且平坦度优于±0.45dB；工作带宽为8-17.9GHz，相对带宽为76.4％。
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