基片集成波導多層轉(zhuǎn)換器的設計

0 引言

基片集成波導(SIW)是一種立體的周期性結(jié)構(gòu)，它可利用PCB、LTCC等集成工藝獲得，并可通過金屬通孔或者空氣過孔限制向外輻射的電磁波，從而代替?zhèn)鹘y(tǒng)矩形金屬波導或非輻射介質(zhì)波導(NRD)的集成類波導結(jié)構(gòu)。

和傳統(tǒng)的矩形金屬波導相比，SIW同樣有著良好的傳播特性，諸如品質(zhì)因數(shù)高、易于設計加工等，同時較傳統(tǒng)波導更為緊湊，具有體積小、重量輕等優(yōu)點，而且這種結(jié)構(gòu)易于集成，因而可大大減小原有微波毫米波波導器件以及建立在波導基礎上的其它微波無源器件的尺寸、重量和價格。基片集成波導技術可提供一種高品質(zhì)的微波毫米波電路集成新技術，目前，它已逐漸為微波界所認識，并受到國際學術界與工業(yè)界的重視。

然而，該技術一個重要的問題就是它與其它形式的傳輸線之間的過渡問題(轉(zhuǎn)換)。微波有源器件大都是表面封裝或芯片形式，在安裝時需要共面電路結(jié)構(gòu)(如共面波導、微帶線等)。因此，SIW與共面?zhèn)鬏斁€的過渡問題是這項技術的一個重要前提，其最重要的指標是帶寬及回波損耗。

1 SIW的基本原理

矩形波導與微帶線的轉(zhuǎn)換在毫米波頻段是較常用的一種。對其轉(zhuǎn)換的基本要求是傳輸損耗和回波損耗要低，而且應有足夠的頻帶寬度；裝配容易，同時具有良好的重復性和一致性。另外，它還可與電路協(xié)調(diào)設計，十分便于加工制作。

SIW側(cè)壁由周期排列的金屬通孔構(gòu)成，等效于在矩形波導的窄壁橫向開槽，以使SIW只能傳輸TEno模。

實驗證明，SIW的傳輸特性和矩形波導類似，因此，SIW可以轉(zhuǎn)化為等效矩形波導，并運用矩形波導的理論加以設計，從而提高設計效率。SIW的寬度W與等效矩形波導寬度W的等效關系如下：

式中，d為金屬通孔直徑，s為相鄰通孔中心間距，W為SIW寬度。

2 微帶-探針-SIW異面轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

采用異面結(jié)構(gòu)，可設定下層基板為SIW，上層基板為普通PCB，并在上層基板上蝕刻微帶線。上層微帶線通過金屬探針與下層SIW連接，探針與SIW底部接觸。

為使能量更好的通過探針進入SIW，可在上層基板探針周圍設計一種包圍它的金屬柱，并適度調(diào)節(jié)該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的各參數(shù)值，以最終得到圖1所示的微帶-探針-SIW異面轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)圖。

該結(jié)構(gòu)的上下基板厚度h均為0．508 mm，探針半徑R_pin為0．28 mm，探針中心距底邊圓柱中心的距離Distance為2．465mm，SIW上層蝕刻圓孔半徑R_cave為0．6 mm。

該結(jié)構(gòu)的工作頻率為15GHz，在11．51～13．74GHz、14．76～25．38 GHz頻段內(nèi)，其回波損耗均在-10 dB以下，插入損耗總體小于-0．8 dB，因此，該結(jié)構(gòu)在兩個頻段內(nèi)，均表現(xiàn)為帶通特性。

而在14．31～14．47GHz頻段內(nèi)，回波損耗大于-2 dB，插入損耗小于-10 dB，表現(xiàn)為帶阻特性。最終整體呈現(xiàn)為雙帶通且寬頻帶的帶通濾波特性，其仿真結(jié)果如圖2所示。

3 結(jié)束語

本文設計仿真的多層轉(zhuǎn)換器，表現(xiàn)出了良好的傳播特性，而且工藝要求低、加工簡單，易于實現(xiàn)。該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在Ku波段和K波段能夠分別實現(xiàn)100％和 86．82％良性傳播，且比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)更緊湊，也更便于實際應用，完全適應微波器件日趨小型化的要求。該結(jié)構(gòu)可用于設計常用微波器件、天線饋電結(jié)構(gòu)等，故在現(xiàn)實生產(chǎn)生活中具有廣泛的應用前景。