基片集成波導(dǎo)

基片集成波導(dǎo)技術(shù)研究張小川導(dǎo)師：徐軍研究背景

各種導(dǎo)波結(jié)構(gòu)可分為兩大類(lèi)，即平面結(jié)構(gòu)和非平面結(jié)構(gòu)。平面結(jié)構(gòu)包括微帶線、共面波導(dǎo)、槽線等等。非平面結(jié)構(gòu)包括矩形波導(dǎo)、同軸線、介質(zhì)波導(dǎo)等等。

平面結(jié)構(gòu)適合系統(tǒng)的混合集成，然而，這種結(jié)構(gòu)也存在著自身的缺陷，由于導(dǎo)體損耗、輻射損耗、介質(zhì)損耗的存在，使得平面結(jié)構(gòu)不利于工作在毫米波頻段，也無(wú)法構(gòu)成高Q值的部件。

非平面結(jié)構(gòu)的損耗低，故可以構(gòu)成高性能部件。但是作為一種立體結(jié)構(gòu)，非平面結(jié)構(gòu)很難與平面結(jié)構(gòu)或有源器件有效集成。正是為了解決上述矛盾，一種基于介質(zhì)基片的波導(dǎo)結(jié)構(gòu)被提了出來(lái)，這就是我們所研究的對(duì)象——基片集成波導(dǎo)（SIW）。它為平面集成電路的研究開(kāi)辟了全新的領(lǐng)域。基片集成波導(dǎo)的概念

基片集成波導(dǎo)（SubstrateIntegratedWaveguide，簡(jiǎn)稱(chēng)SIW）是一種近年內(nèi)出現(xiàn)的新型微波傳輸結(jié)構(gòu),是基片集成電路的一個(gè)重要內(nèi)容，其基本思想是在介質(zhì)基片上用相鄰很近的金屬化通孔形成電壁，與上下金屬面一起構(gòu)成類(lèi)似于普通波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)?；刹▽?dǎo)金屬波導(dǎo)半波基片集成波導(dǎo)（HMSIW）的概念

在波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，對(duì)于主模來(lái)說(shuō)，在傳播方向的中心面是電場(chǎng)最強(qiáng)的地方（法向電場(chǎng)為零，切向磁場(chǎng)為零），所以中心面可以被看作是磁壁，根據(jù)這種思想，通過(guò)假想的磁壁將SIW從中心面切割成兩部分，這樣一個(gè)SIW就變成兩個(gè)HMSIW,這種新結(jié)構(gòu)繼承了SIW的傳播特性，這種假想的磁壁只是為了論證這種思想，考慮到實(shí)際應(yīng)用的情況，從切面延長(zhǎng)一點(diǎn)，這樣可以防止能量的輻射。CST仿真的主模場(chǎng)分布（8GHz），基片厚度為1mm，0.5mm處的電場(chǎng)分布S_Parameter(S11,S21)半波基片集成波導(dǎo)基片集成波導(dǎo)國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1、1998年J.Hirokawa等人曾對(duì)類(lèi)似SIW的層疊結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，但是沒(méi)有明確的提出基片集成波導(dǎo)的概念。2、2002年K.Wu等人用邊界積分模式展開(kāi)法對(duì)SIW的色散特性進(jìn)行了分析。3、H.Li等人采用頻域有限差分法研究了SIW的傳播特性，并給出了傳播參數(shù)與金屬通孔周期的關(guān)系。（2002年）4、D.Deslandes研究了微帶線與基片集成波導(dǎo)的互連問(wèn)題，該文采用微帶劈形結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)SIW與50歐姆微帶線匹配（2001年），同年，他們還分析了SIW與共面波導(dǎo)的互連問(wèn)題。5、D.Deslandes對(duì)SIW進(jìn)行了改進(jìn)，在波導(dǎo)內(nèi)加入兩排空氣孔，改善了SIW的性能。6、W.Hong等人提出了半波基片集成波導(dǎo)(HMSIW)的概念(2006.10)，在此基礎(chǔ)上已經(jīng)有關(guān)于HMSIW耦合器報(bào)道(2007.3)。結(jié)論：由上面的分析可以看出，無(wú)論在理論還是應(yīng)用方面，這種新型波導(dǎo)結(jié)構(gòu)已經(jīng)越來(lái)越受到重視。5、在此基礎(chǔ)上，出現(xiàn)了大量的關(guān)于微帶集成波導(dǎo)的器件的報(bào)道，目前出現(xiàn)的SIW所構(gòu)成的部件已經(jīng)有：濾波器、振蕩器、功分器、混頻器、定向耦合器、天線等等。介電常數(shù)1,a=20mm,s=5mm,d=10mm,

上圖為普通波導(dǎo)，中間s/d=0.5時(shí)的場(chǎng)分布，下圖為s＝d時(shí)的場(chǎng)分布衰減因子隨縫隙的變化相位常數(shù)隨縫隙的變化從損耗因子隨縫隙變化的軌跡，可以看出，當(dāng)滿足s≤0.2λ這個(gè)條件時(shí)，泄漏損耗可以忽略不計(jì)。相位常數(shù)

基片集成波導(dǎo)和微帶傳輸線的轉(zhuǎn)接形式

由于工作頻段低,s＜＜d,因此不同的孔間距對(duì)傳播特性的影響很小.基片集成波導(dǎo)和微帶線插損測(cè)試

長(zhǎng)度為100mm，介電常數(shù)2.2,a=14mm,s=0.4mm,d=0.8mm,T1=5mm,t2=1.5mm.ApplicationsofSIWandHMSIW1.濾波器2.天線3.振蕩器4.功分器5.HMSIW構(gòu)建的耦合器FilterC波段橢圓函數(shù)濾波器

2005年，東南大學(xué)洪偉等人提出了一種采用LTCC的SIW的C波段四級(jí)的橢圓函數(shù)濾波器。中心頻率為4GHz，帶寬150MHz，帶內(nèi)損耗0.6dB，在3.29GHz、3.89GHz、4.11GHz、4.75GHz分別有四個(gè)傳輸零點(diǎn)。

LTCC濾波器Jong-HoonLee,Stephane

Pinel等設(shè)計(jì)了一個(gè)中心頻率為60GHz的帶通濾波器，實(shí)測(cè)結(jié)果如下：中心頻率58.7GHz，中心頻率處插入損耗為2.14dB，3dB帶寬為1.38%(0.9GHz).Jong-HoonLee,Stephane

Pinel“Low-LossLTCCCavityFiltersUsingSystem-on-PackageTechnologyat60GHz”IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES,VOL.53,NO.12,DECEMBER2005Antenna基片上構(gòu)造了一個(gè)4×4的諧振式基片集成波導(dǎo)陣列天線，基片采用介電常數(shù)為2.4、損耗角正切為0.001的材料，基片厚度為1.5毫米，金屬通孔的直徑為1毫米，通孔間距為2毫，每一個(gè)諧振單元由4條與波導(dǎo)軸線等距的縫隙構(gòu)成諧振陣。該天線工作在10GHz，具有600MHz的工作帶寬，方向性系數(shù)為15.7dB，圖1.1為其實(shí)物圖?；刹▽?dǎo)縫隙天線陣實(shí)物圖由于填充了介質(zhì)，工作波長(zhǎng)小于自由空間中的波長(zhǎng)所以使得該結(jié)構(gòu)相比矩形波導(dǎo)具有更小的面積，而它的重量、側(cè)面高度更是遠(yuǎn)小于矩形波導(dǎo)，但是卻具有毫不遜色的性能，充分顯示了基片集成波導(dǎo)的實(shí)用價(jià)值。BongSKim,JaeWLeeandKwangSKim,etc.PCBsubstrateintegratedwaveguide-filterusingviafencesatmillimeter-wave.IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,2004,Vol.2:1097-1100文獻(xiàn)報(bào)道了一種基于基片集成波導(dǎo)的振蕩器，該振蕩器利用由基片集成波導(dǎo)形成的矩形腔體作為諧振和反饋部件，工作頻率為12.02GHz，有載Q值測(cè)量為178。YCassivi,KWu.LowCostMicrowaveOscillatorUsingSubstrateIntegratedWaveguideCavity,IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2003,Vol.13(2),48-50振蕩器S.Germain等人用實(shí)現(xiàn)了“T”型和“Y”型功分器，工作在Ka波段，“T”型功分器回波損耗優(yōu)于19dB的相對(duì)帶寬達(dá)到10.2％，而“Y”型功分器回波損耗優(yōu)于18.5dB的相對(duì)帶寬為25.2％。SGermain,DDeslandesandKWu.DevelopmentofSubstrateIntegratedWaveguidePowerDividers,CanadianConferenceonElectricalandComputerEngineering,2003,Vol.3:1921-19245、功分器BingLiu,WeiHong,,Yuan-QingWang,Qing-HuaLai,andKeWu,“HalfModeSubstrateIntegratedWaveguide(HMSIW)3-dBCoupler”IEEEMICROWAVEANDWIRELESSCOMPONENTSLETTERS,VOL.17,NO.1,JANUARY2007Themeasuredreturnloss(S11)oftheSIWcouplerisbelow13.1dBfrom10.06to11.35GHz,andtheisolation(S41)isbetterthan14.1dBoverthefrequencyrangeof10.4GHz–11.6GHzandthepowerequalityfor(S21)and(S31)is-4.4±0.4dBinthefrequencyrangeof10.5–11.9GHz.（六）HMSIW耦合器CSSRs加載的基片集成波導(dǎo)濾波器CSSRs刻蝕于印制板的頂層CSSRs刻蝕于印制板的底層等效電路模型等效電路模型SimulatefrequencyresponsecorrespondingtothebasiccellofFig.2(thinline)andFig.3(thickline).

試驗(yàn)結(jié)果

Thesubstrateusedinthefilterisduroid5880whichhaspermittivityof2.22,heightof0.254mm.Thefilterisdesignedwithbandwidthof23%(7.2GHz-9.1GHz),

themeasuredinsertionandreturnlossesareabout2.16dBand11.6dBatpass-band.

CMRC加載基片集成波導(dǎo)濾波器1個(gè)CMRC加載仿真的S參數(shù)等效電路模型等效電路模型ADS仿真結(jié)果介質(zhì)基片為T(mén)MM10,介電常數(shù)9.2,厚度1mm中心頻率為5.35GHz,帶寬為1.7GHz1個(gè)CMRC加載仿真的S參數(shù)銷(xiāo)釘加載半波基片集波導(dǎo)濾波器等效電路模型印制板加工圖仿真結(jié)果采用基片為：TMM10介電常數(shù)9.2，厚度1mm。1dB為7.14GHz-7.61GHz,相對(duì)帶寬為6%

SubstrateIntegratedWaveguideQuasi-ellipticFilterbasedonsplitringresonator其中SIW腔體為雙模工作，諧振模式：TE102和TE201模，等效寬度和等效長(zhǎng)度裂環(huán)諧振器的諧振頻率待解決的問(wèn)題

1、通過(guò)數(shù)值計(jì)算得到HMSIW