CN113258236A

CN113258236A - 一种基于siw和fsiw的模式复合传输线

Info

Publication number: CN113258236A
Application number: CN202110445479.XA
Authority: CN
Inventors: 朱舫; 赵鑫; 吴云飞; 盛俊豪; 罗国清
Original assignee: Hangzhou Dianzi University
Current assignee: Changsha Kangna Electrical Equipment Co.,Ltd.
Priority date: 2021-04-25
Filing date: 2021-04-25
Publication date: 2021-08-13
Anticipated expiration: 2041-04-25
Also published as: CN113258236B

Abstract

本发明公开了一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，包括顶层金属层、中间金属层、底层金属层，介质层，金属化通孔阵列和侧壁窗口；顶层金属层、底层金属层、以及X轴向的两排金属化通孔阵列共同构建了SIW；中间金属层中的矩形金属、顶层金属层、底层金属层以及X轴向的两排金属化通孔阵列共同构建了FSIW；FSIW通过梯形渐变器连接到50欧姆带状线，并从侧壁串口引出。本发明的结构完全封闭，具有带宽大、损耗低、电磁屏蔽性好等优点，能够利用TE₁₀模和Folded‑TE₁₀模并行传输两个高频段信号，并基于模式之间的正交性实现模式隔离。

Description

一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线

技术领域

本发明属于微波毫米波技术领域，涉及一种模式复合传输线，尤其涉及一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线。

背景技术

大数据时代需要带宽更宽、串扰更小、损耗更低的传输线，以实现高速并行的信号互连。传统的互连线，比如微带、共面波导和带状线等，早已被广泛应用于平面电路中。然而，由于其开放或半开放结构，传统互连线在毫米波段具有较大的损耗，而且并行互连线之间存在严重的串扰。虽然在带状线两侧打上两排金属化通孔阵列,构建基片集成同轴线(SICL)，可以降低并行互连线之间的串扰，但其在毫米波段的损耗仍然较大。

基片集成波导(SIW)是一种近乎封闭的平面传输线，具有宽带、低损耗、低串扰特性。但相对于传统传输线，SIW的尺寸偏大，为了缩减其尺寸，折叠SIW(FSIW)应运而生。为了进一步缩减尺寸，提高传输线的并行数据传输能力，模式复合传输线的概念被提出，包括模式复合波导、半模模式复合波导、模式复合共面波导和模式复合微带线等。其中，模式复合波导将SIW作为SICL的内导体，利用SIW的TE₁₀模传输高频段信号，利用SICL的TEM模传输低频段信号，从而在两个频段实现模式复合信号传输。半模模式复合波导是将模式复合波导沿中心线切开，利用HMSIW传输高频段信号，利用半模SICL传输低频段信号。这两种模式复合传输线的共同缺点是它们的馈电结构过于复杂。类似的，模式复合共面波导利用SIW作为共面波导的内导体，在SIW中传输高频段信号，在共面波导中传输低频段信号。模式复合微带线将SIW作为微带线的导带，并在SIW下方铺上金属层以构建微带线的金属地，利用SIW传输高频段信号，利用微带线传输低频段信号。尽管在同一介质基板上进行了集成，上述所有模式复合传输线本质上仍然是两条相互独立的传输线，它们通过物理隔离来实现模式隔离。而且，除了模式复合波导之外，其他几种模式复合传输线具有开放或半开放结构，不仅易于和其他传输线发生串扰，而且在毫米波段具有较大的损耗，因此除了SIW的TE₁₀模之外的另一种模式难以实现毫米波信号的传输。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出了一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，具有带宽大、损耗低、电磁屏蔽性好等优点，能够利用TE₁₀模和Folded-TE₁₀模并行传输两个高频段信号，并基于模式之间的正交性实现模式隔离。

本发明采用如下技术方案：

一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，包括：

介质层；

顶层金属层，位于介质层的上表面；

底层金属层，位于介质层的下表面；

中间金属层，位于介质层内，且不与顶层金属层、底层金属层接触；

两排平行设置的第一金属化通孔阵列，贯穿介质层且金属化通孔的两端分别与顶层金属层、底层金属层连接；

其中，所述顶层金属层、底层金属层、以及两排金属化通孔阵列共同构建SIW；两排第一金属化通孔阵列构成的通路两端分别构成第一端口、第二端口；

所述中间金属层包括一体成型的矩形金属、梯形渐变器、带状线；矩形金属的一侧与其中一排第一金属化通孔阵列相连，另一侧与另一排第一金属化通孔阵列不接触，并与顶层金属层和底层金属层共同构建了FSIW；矩形金属的宽度W_F决定了FSIW的截止频率；FSIW通过梯形渐变器连接到带状线，以实现宽带的模式转换；

与矩形金属不接触的第一金属化通孔阵列上开有两个侧壁窗口，此处侧壁窗口无金属化通孔设置；中间金属层的带状线穿过第一金属化通孔阵列的侧壁窗口，并在伸出SIW的带状线两侧设置两列第二金属化通孔阵列，使得整个传输线结构完全封闭；

所述两个侧壁窗口处伸出SIW的带状线与第二金属化通孔阵列分别构成第三端口、第四端口；

作为优选，所述两排第一金属化通孔阵列构成的通路宽度W_S决定了SIW的截止频率；

作为优选，所述两列第二金属化通孔阵列之间的距离W_L大于侧壁窗口的宽度W_W；

作为优选，所述侧壁窗口的宽度W_W大于带状线的宽度，且小于SIW截止频率对应的四分之一波长；

作为优选，所述矩形金属的两端分别与一个梯形渐变器的一端连接，梯形渐变器的另一端与带状线的一端连接，带状线的另一端穿过与矩形金属不接触的金属化通孔阵列中侧壁窗口；

作为优选，所述带状线采用50欧姆带状线；

作为优选，中间金属层与顶层金属层、底层金属层之间的距离相等；

作为优选，介质层由两层介质基板上下堆叠而成，中间金属层位于两层介质基板间；更为优选，介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.254mm的TanconicTLY-5介质基板；

更为优选，SIW和FSIW的截止频率均设置为18GHz。

第一端口、第二端口为SIW端口，第三端口、第四端口为带状线端口；在实际应用中，可通过其他转接结构将SIW端口和带状线端口进一步转化为微带、共面波导等其他端口，但这不属于本发明保护的范畴。

工作原理：

当信号从第一端口输入时，在SIW中以TE₁₀模传输，其电场方向沿Z轴方向。对于TE₁₀模，SIW内部的任意XY平面均可等效为理想电壁，因此在SIW中嵌入中间金属层不影响TE₁₀模电场分布。同时，由于SIW的TE₁₀模与FSIW的Folded-TE₁₀模、带状线的TEM模均正交，因此无法激励出后两种模式，具有天然的隔离性，因此输入信号只能沿着SIW由第一端口传输到第二端口，而几乎没有能量泄漏到第三、第四端口。此外，由于SIW中侧壁窗口的宽度很小(远小于SIW截止频率的四分之一波长)，因此由其引入的不连续性可以忽略。

当信号从第三端口输入时，首先在带状线中激励出TEM模。由于带状线的TEM模与FSIW的Folded-TE₁₀模的电场分布相似，因此通过梯形渐变器可以很好地转化为Folded-TE₁₀模，进而沿FSIW以Folded-TE₁₀模传输。同时，由于TEM模、Folded-TE₁₀模均与TE₁₀模正交，因此无法激励出TE₁₀模，输入信号只能由第三端口传输到第四端口，而几乎没有能量泄漏到第一、第二端口。

由于SIW和FSIW都具有宽带和低损耗等优点，因此本发明可并行传输两个高频段信号，且两者之间互不影响，从而使信道容量加倍。

本发明具有以下优点：

(1)可并行传输两个高频段信号，且两者之间互不影响，从而在不增加SIW整体面积的同时，加倍了信道容量；

(2)相较于传统的微带、共面波导和带状线等平面传输线，SIW和FSIW的传输损耗更低，有利于毫米波频段信号的传输；

(3)本发明的传输线结构完全封闭，具有良好的屏蔽性，不易受到外部复杂电磁环境的影响，避免了与其他传输线之间的串扰。

附图说明

图1(a)、(b)、(c)分别是本发明的三维示意图、俯视图和AA’处的截面图；

图2(a)、(b)、(c)分别是SIW的TE₁₀模、FSIW的Folded-TE₁₀模，以及带状线的TEM模的矢量电场分布图；

图3(a)、(b)分别是从第一、第三端口输入信号时的电场幅度分布图；

图4是本发明的传输系数和反射系数的仿真结果；

图5是第一端口和第三、第四端口之间的隔离度仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1(a)、(b)、(c)所示，本发明提供的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，包括顶层金属层1、中间金属层2、底层金属层3，介质层4，金属化通孔阵列5，侧壁窗口6，第一端口7，第二端口8，第三端口9，第四端口10；顶层金属层1、底层金属层3、以及X轴向的两排金属化通孔阵列共同构建了SIW，其宽度为W_S；中间金属层2包括矩形金属2a、梯形渐变器2b、50欧姆带状线2c；矩形金属2a的一侧与X轴向的一排金属化通孔阵列相连，另一侧的边沿与X轴向另一排金属化通孔阵列不接触，结合顶层金属层1和底层金属层3共同构建了FSIW，其宽度为W_F；FSIW通过梯形渐变器2b连接到50欧姆带状线2c；在X轴向的其中一排金属化通孔阵列上开有侧壁窗口6，其宽度为W_W；从SIW中引出的50欧姆带状线2c的两侧设置两排Y轴向的金属化通孔阵列，间距为W_L；第一端口7、第二端口8为SIW端口，第三端口9、第四端口10为带状线端口。

图2(a)、(b)、(c)分别是SIW的TE₁₀模、FSIW的Folded-TE10模、以及带状线的TEM模的矢量电场分布图。由图可见，中间金属层的嵌入，基本不影响TE₁₀模的电场分布；第二，TE₁₀模与FSIW的Folded-TE₁₀模、以及带状线的TEM模均正交，无法与后两种模式进行相互转化，具有天然的模式隔离性；第三，TEM模与Folded-TE₁₀模的电场分布相似，因此可通过梯形渐变器可以很好地转化为Folded-TE₁₀模，便于采用带状线进行馈电。

图3(a)、(b)分别是从第一、第三端口输入信号时的标量电场分布图。由图可见，当信号从第一端口输入时，传播模式为TE₁₀模，只能沿SIW传输并从第二端口输出，而几乎没有能量泄漏到第三、第四端口；当信号从第三端口输入时，首先以带状线的TEM模传输，然后通过梯形渐变器转化为Folded-TE₁₀模，并沿FSIW进行传输，最终到达第四端口，而几乎没有能量泄漏到第一、第二端口。说明本发明具有两个相互独立的信号传输通道，可同时传输TE₁₀模和Folded-TE₁₀模。

图4是第一端口和第三、第四端口之间的隔离度仿真结果。由图可见，在22-35GHz频段范围内，信号从第一端口到第三、第四端口的隔离度(|S₃₁|和|S₄₁|)均优于56dB。进一步验证了在本发明的两个信道中同时传输不同的信号时，两者之间互不影响。

图5是本发明的传输系数和反射系数的仿真结果。由图可见，在22-35GHz频段范围内，当信号从第三端口输入时，其回波损耗(|S₃₃|)小于-19dB，信号传输到第四端口的损耗(|S₄₃|)小于0.6dB；当信号从第一端口输入时，其回波损耗(|S₁₁|)小于-20dB，信号传输到第二端口的损耗(|S₂₁|)小于0.5dB。由此可见，信号在两个不同信道传输时具有良好的宽带特性和极低的传输损耗。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于包括：

介质层；

顶层金属层，位于介质层的上表面；

底层金属层，位于介质层的下表面；

所述中间金属层包括一体成型的矩形金属、梯形渐变器、带状线；矩形金属的一侧与其中一排第一金属化通孔阵列相连，另一侧与另一排第一金属化通孔阵列不接触，并与顶层金属层和底层金属层共同构建了FSIW；FSIW通过梯形渐变器连接到带状线，以实现宽带的模式转换；

所述两个侧壁窗口处伸出SIW的带状线与第二金属化通孔阵列分别构成第三端口、第四端口。

2.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于所述两排第一金属化通孔阵列构成的通路宽度W_S决定了SIW的截止频率。

3.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于所述两列第二金属化通孔阵列之间的距离W_L大于侧壁窗口的宽度W_W。

4.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于所述侧壁窗口的宽度W_W大于带状线的宽度，且小于SIW截止频率对应的四分之一波长。

5.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于所述矩形金属的两端分别与一个梯形渐变器的一端连接，梯形渐变器的另一端与带状线的一端连接，带状线的另一端穿过与矩形金属不接触的金属化通孔阵列中侧壁窗口。

6.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于所述带状线采用50欧姆带状线。

7.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于中间金属层与顶层金属层、底层金属层之间的距离相等。

8.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于介质层由两层介质基板上下堆叠而成，中间金属层位于两层介质基板间；介质基板采用相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.254mm的TanconicTLY-5介质基板。

9.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于SIW和FSIW的截止频率均设置为18GHz。

10.根据权利要求1所述的一种基于SIW和FSIW的模式复合传输线，其特征在于中间金属层矩形金属的宽度W_F决定了FSIW的截止频率。