CN110752427B - 一种基片集成波导的毫米波衰减器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及微波电路技术，具体涉及一种基片集成波导的毫米波衰减器，本发明在SIW衰减器本体中沿着电磁波传播方向上引入耗能原件‑电阻薄膜，增加传播通道上的损耗。当电磁波在SIW衰减器本体中以TE1.0模传播的时候，就能在传播TE1.0模的同时对信号进行一定程度的衰减。SIW衰减器本体侧壁部分表面电阻可以分成两部分：区域一和区域二。在区域一：高、低频率点之间的插入损耗差值会随着k的增加而增大。在区域二：高、低频点之间的插入损耗差会随k的增大而变小。当k的比例因子为0.6左右时，具有表面电阻的RW的衰减值是恒定的。

Description

一种基片集成波导的毫米波衰减器
技术领域
本发明设计微波技术，具体涉及一种基片集成波导(Substrate IntegratedWaveguide，SIW)的毫米波衰减器。
背景技术
基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)作为一种新型的传输结构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。
衰减器是射频、微波和毫米波电路与系统的重要组成部分。它是一种提供衰减的电子元器件，广泛地应用于电子设备中，它的主要用途是：(1)调整电路中信号的大小；(2)改善阻抗匹配，若某些电路要求有一个比较稳定的负载阻抗时，则可在此电路与实际负载阻抗之间插入一个衰减器，能够缓冲阻抗的变化。
此外，大量的SIW无源器件和有源电路已经被设计和提出，例如功分器、滤波器、移相器、天线、振荡器、混频器等等。然而，只有少量的关于SIW衰减器报道，已有的报道主要如下：
Dong-SikEom等人提出了一种宽带全模/半模基片集成波导(Half ModeSubstrate Integrated Waveguide，HMSIW)衰减器，它在SIW/HMSIW结构上建立了一个电阻Π类网络，该网络由一组表面贴片技术(Surface Mount technology，SMT)无源电阻组成。参见文献D.-S.Eom and H.-Y.Lee,“An X-band substrate integratedwaveguideattenuator,”Microwave Optical Technology Letters,vol.56,no.10,pp.2446–2449,2014.和D.-S.Eom and H.-Y.Lee,“Broadband half mode substrateintegrated waveguide attenuator in 7.29–14.90GHz,”IEEE Microwave WirelessComponent Letters,vol.25,no.9,pp.564–566,Sep.2015.
Ruo Feng Xu等人提出一种将28个二极管放入开槽SIW中，得到一种可变SIW衰减器。但其电路结构非常复杂，不方便实际使用。参见文献R.F.Xu,A.J.Farrall,andP.R.Young,“Analysis of loaded substrateintegrated waveguides andattenuators,”IEEE Microwave Wireless Components Letters,vol.24,no.1,pp.62–64,Jan.2014.
Zheng Liu等人提出一种SIW衰减器，它基于一种高损耗SIW衰减器腔作为阻塞单元，不需要安装任何集总电阻、偏置电路、或吸收材料即可实现。参见文献Z.Liu,L.Zhu,andG.Xiao,“A novel microwave attenuator onmultilayered substrate integratedwaveguide,”IEEE TransactionsComponents,Packaging,Manufacturing Technology,vol.6,no.7,pp.1106–1112,Jul.2016.
最近，An-Qi Zhang等人提出了一种新型的使用石墨烯的动态可调节SIW衰减器。通过对石墨烯设置偏置电压，可以动态的调节衰减值，同时，驻波仍然可以保持在一个相对较低的水平。参见文献A.-Q.Zhang,W.-B.Lu,Z.-G.Liu,H.Chen,and B.-H.Huang,“Dynamicallytunable substrate-integrated-waveguide attenuator usinggraphene,”IEEE Transactions Microwave Theory Techniques,vol.66,no.6,pp.3081–3089,Jun.2018.
以上参考文献报道的微波频段衰减器，其工作频带一般在Ku频率及其以下。值得注意的是，在毫米波频段使用的SIW衰减器还未见报道，而本发明提出了一种基于SIW的毫米波衰减器。
发明内容
为了在毫米波频段的电路中对信号进行衰减，本发明提供了一种基片集成波导(SIW)的毫米波衰减器。
该基片集成波导(SIW)的毫米波衰减器实现在陶瓷基板上，包括SIW本体和表面电阻薄膜，SIW本体两端通过渐变线与50Ω微带线相连。其俯视图如图1所示。
SIW本体宽边长为Ws(两金属化通孔行之间的距离)，长边长为Ls，渐变线与SIW本体宽边的衔接边长度为Wt位于SIW本体宽边正中部分，在衔接边两侧各自引入一个匹配用的金属化通孔，且2个匹配用金属化通孔与SIW本体宽边的中线成轴对称，SIW本体的一端有2个匹配用金属化通孔，两端共计4个。
所述SIW本体开设有1个贯通了其表面金属层的槽，用于安放表面电阻薄膜，表面电阻薄膜与槽的大小相适应。
所述槽的平面形状为宽边均设有一个半椭圆型开口的矩形，椭圆中心和对应的宽边中心重合；槽的物理中心与SIW本体中心重合，且槽的长边、椭圆的长轴均与电磁波传播方向平行；槽(表面电阻薄膜)的长边(与电磁波传播方向平行的边)长为Wa(Wa<Ls)，宽边(与电磁波传播方向垂直的边)长为Wb(Wb＝0.6*Weff)；椭圆的长轴为Wa1与电磁波传播方向平行，椭圆的短轴为Wb1位于表面电阻薄膜的宽边上(Wa1<Wa/2，Wb1<Wb/2)。Weff为两金属化通孔行之间的最短距离(Weff＝Ws-dvp)。
表面电阻薄膜可以设置为任意阻值，实际生产中由于加工工艺限制，优选50Ω/方阻。
Lt为渐变线长度，W为微带线的宽度，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与对应的SIW本体宽边距离，Ly为匹配用金属化通孔圆心与相应侧金属化通孔行的通孔圆心所在直线的距离。
本发明中的衰减器工作原理是：电磁波在SIW本体中以TE1.0模式进行传播，传输结构中的正反面通过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；为了增加传播通道上的损耗，我们引入耗能原件-电阻薄膜，当电磁波在SIW本体中以TE1.0模传播的时候，通过在传播路径上放置表面电阻膜，就能在传播TE1.0模的同时对信号进行一定程度的衰减。并在表面电阻薄膜窄边引入了2个椭圆凹槽结构，以改善SIW衰减器的回波损耗。
综上所述，本发明提供了一种新的SIW毫米波衰减器结构。
附图说明
图1是本发明实例衰减器结构的俯视图。
图2是本发明实例RW侧壁的电阻区域划分。
图3是本发明实例不同k的归一化衰减值仿真图。
图4是本发明实例S参数曲线5dB仿真图。
图5是本发明实例S参数曲线10dB仿真图。
图6是本发明实例S参数曲线20dB仿真图。
图7是本发明实例S参数曲线30dB仿真图。
附图标记：SIW衰减器本体-1，表面金属薄膜-2，椭圆凹槽-3，金属化通孔-4，匹配用金属化通孔-5，渐变线-6，微带线-7。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。
由于在SIW和Rectangular Waveguide(RW)中的EM场分布特征是类似的，为了简化，首先分析了RW中的衰减器。衰减器本体侧壁部分表面电阻的分布如图2，可分为两部分：区域一和区域二。
电场振幅沿+z的方向上，设RW中的衰减常数为α，以波的形式传播，可以表示为
E＝E0e-αz (1)
传输功率可表示为
P＝P0e-2αz (2)
单位长度的功率损耗为
Figure GDA0002926008780000031
Figure GDA0002926008780000032
Figure GDA0002926008780000033
Figure GDA0002926008780000041
其中Rs，Rs'，Js，
Figure GDA0002926008780000042
和
Figure GDA0002926008780000043
分别表示金属在RW中的表面电阻、损耗材料中的表面电阻、表面电流密度、指向理想导体和表面电阻的法向单位矢量、RW内的磁场强度。为了简化分析，与有耗材料的表面电阻相比，金属墙体的表面电阻可以近似等于0Ω。然后：
Figure GDA0002926008780000044
Figure GDA0002926008780000045
η,ZTE,fc是SIW的固有阻抗、横电波与磁场的波阻抗以及其截止频率。
将式(7)和式(8)代入式(6)
Figure GDA0002926008780000046
Figure GDA0002926008780000047
Figure GDA0002926008780000048
因此，衰减常数α由下式给出
Figure GDA0002926008780000049
令c＝k·a(0≤k≤1)，从式(12)中，衰减常数α可以重写为
Figure GDA00029260087800000410
令F＝fc/f(0.5<F<0.85)，且
Figure GDA00029260087800000411
从式(13)中，衰减常数α可以简化为
Figure GDA00029260087800000412
对于不同k的归一化衰减值仿真结果如图3，可以看出，k[0，0.6)范围内，所有插入损耗与工作频率呈负斜率，k在(0.6，1]范围内为正斜率，阈值k为0.6，即衰减器本体侧壁部分区域一、二的界限，与频率无关。当k的比例因子为0.6左右时，即将表面电阻薄膜安放在区域一，具有表面电阻的RW的衰减值是恒定的，这意味可以基于上述理论设计SIW衰减器。
依据前述提及的基于表面电阻型SIW衰减器，工作在Ka频段，实现在陶瓷基板上，其相对介电常数为9.9，衬底厚度为0.254mm，金属层为金厚度7μm，Wt＝0.68mm，Lx＝0.15mm，svp＝0.5mm，Lt＝1mm，Ly＝0.05mm，dvp＝0.3mm，W＝0.25mm。
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，具体如表1所示：表1
Figure GDA0002926008780000051
衰减值分别为5dB，10dB，20dB，30dB的仿真结果分别如图4、5、6、7所示，具体分析结果如表2：表2
频率范围 衰减值 测试结果
24.8GHz-38.4GHz 5dB 5.45±0.15dB
24.8GHz-38.4GHz 10dB 10.6±0.4dB
24.8GHz-38.4GHz 20dB 21±1dB
24.8GHz-38.4GHz 30dB 30.75±1.45dB
图4、5、6、7分别给出了5dB、10dB、20dB和30dB的SIW衰减器的仿真和实测S参数。可以观察到，仿真结果与实测结果吻合较好。在24.8～38.4GHz范围内，测量的回波损耗均优于-20dB。在同一频带内，5-、10-、20-和30-dB衰减器的插入损耗分别为5.45±0.15dB、10.6±0.4dB、21±1dB和30.75±1.45dB。高频插入损耗更大可能是由于金层与表面电阻区之间的物理结构存在间隙或不连续所致。根据现有的文献，这是首次提出的毫米波频段的SIW衰减器。

Claims (2)

1.一种基片集成波导的毫米波衰减器，其特征在于：实现在陶瓷基板上，包括SIW本体和表面电阻薄膜，SIW本体两端通过渐变线与50Ω微带线相连；
SIW本体宽边即两金属化通孔行之间的距离长为Ws，长边长为Ls，渐变线与SIW本体宽边的衔接边长度为Wt位于SIW本体宽边正中部分，在衔接边两侧各自引入一个匹配用的金属化通孔，且2个匹配用金属化通孔与SIW本体宽边的中线成轴对称，SIW本体的一端有2个匹配用金属化通孔，两端共计4个；
所述SIW本体开设有1个贯通了其表面金属层的槽，用于安放表面电阻薄膜，表面电阻薄膜与槽的大小相适应；
槽的平面形状为宽边均设有一个半椭圆型开口的矩形，椭圆中心和对应的宽边中心重合；槽的物理中心与SIW本体中心重合，槽的长边、椭圆的长轴均与电磁波传播方向平行；槽的长边长为Wa，槽的宽边长为Wb，Wb＝0.6*Weff，椭圆的长轴为Wa1，椭圆的短轴为Wb1位于表面电阻薄膜的宽边上，Wb<Ws，Wa<Ls，Wa1<Wa/2，Wb1<Wb/2；Weff为两金属化通孔行之间的最短距离Weff＝Ws-dvp，dvp为金属化通孔的直径。
2.如权利要求1所述基片集成波导的毫米波衰减器，其特征在于：所述表面电阻薄为50Ω/方阻。
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