基于基片集成波导的微波电路研究.pdf

电子科技大学 博士学位论文 基于基片集成波导的微波电路研究 姓名：钟催林 申请学位级别：博士 专业：无线电物理 指导教师：徐军 20090630 摘要 摘要 基片集成波导( s i w ) 在平面电路基板上实现了矩形波导的立体结构，因此它具 有高q 值、低损耗、低成本和易于平面集成等优势。本文围绕基片集成波导的理 论和技术及其在微波毫米波电路中的应用展开了一系列的研究。 在第一章，介绍了基片集成波导的研究背景和最新进展：概述了基片集成波 导的工作特性以及分析设计方法。 在第二章，首先介绍了全模和半模基片集成波导的实现方法；接着给出了基 片集成波导的几种常用分析方法；然后分别采用这几种方法分析了基片集成波导 的传播特性并得出了一些设计公式。 在第三章，首先研究了基片集成波导谐振器的实现方法和分析理论，然后基 于体效应二极管负阻振荡器的工作原理提出并设计了新型的全模和半模基片集成 波导振荡器，其实验结果基本能满足工程应用的技术指标要求。 在第四章，首先分析基片集成波导和矩形波导的阻抗特性及电磁场模式特点。 接着基于阻抗变换和模式渐变的工作原理在宽频带上分别实现了基片集成波导 ( s l w ) 与矩形波导的转换。然后基于电磁场的模式耦合理论设计了共面线与基片集 成波导的耦合结构。 在第五章，首先分析了半模基片集成波导和电磁带隙结构( e b g ) 的传播特性， 并基于半模基片集成波导和电磁带隙结构的电磁波传播特性提出了一种宽频带带 通滤波器；然后研究了半模基片集成波导的谐振和辐射特性，提出了一种微带馈 电的采用半模基片集成波导结构的天线。 在第六章，对本论文进行了总结，并对进一步的研究工作做了展望。 关键词：基片集成波导，体效应管振荡器，转换电路，宽带滤波器，小型化天线 a b s t r a c t a b s t r a c t s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s l w ) r e a l i z e sr e c t a n g u l a rw a v e g u i d eo fs o l i d s t r u c t u r eo np l a n a rc i r c u i ts u b s t r a t e i th a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha sh i g l lq - f a c t o r , l o w l o s s ，l o wc o s t ，e a s i l yb e i n gi n t e g r a t e do np l a n a rc i r c u i t s r e s e a r c h e so nt h et h e o r ya n d t e c h n o l o g yo fs i wa n di t sa p p l i c a t i o n so nm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rw a v ec i r c u i t sh a v e b e e n d o n ei nt h i sd i s s e r t a t i o n i nc “ n a p t e r1 ，t h er e s e a r c hb a c k g r o u n d sa n dr e c e n td e v e l o p m e n t sa b o u ts u b s t r a t e i n t e g r a t e dw a v e g u i d ea n ds i w sa p p l i c a t i o n sa ter e v i e w e d ，t h e ni t sp e r f o r m a n c e sa n d d e s i g nm e t h o d sa r es u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，f i r s t l yt h er e a l i z a t i o n a lm e t h o d so fs u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e a n dh a l fm o d es u b s 仃a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( h m s b v ) a r ei n t r o d u c e d s e c o n d l ys o m e e o l n m o nm e t h o d so fa n a l y z i n gs i wa t eg i v e n a tl a s tt h ep r o p a g a t i o np e r f o r m a n c e so f s i wa t ea n a l y z e du s i n gt h e s em e t h o d sa n ds o m ed e s i g n i n gf o r m u l a ea r ed e d u c e da tt h e s a n l et i m e i n c h a p t e r3 ，t h er e a l i z a t i o n a lm e t h o d sa n da n a l y t i c a l t h e o r i e so fs u b s t r a t e i n t e g r a t e dw a v e g u i d er e s o n a t o ra r es t u d i e df i r s t l y s e c o n d l yn o v e ls i wa n dh m s l w o s c i l l a t o r sa r ed e v e l o p e db a s e d0 1 1t h ep r i n c i p l eo fg u n nd i o d en e g a t i v ei m p e d a n c e o s c i l l a t o r , w ec a nf i n dt h a te x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h e s eo s c i l l a t o r sm e e td e m a n d so f p r a c t i c a le n g i n e e r i n gm o s t l y i nc h a p t e r4 ，t h ei m p e d a n c ec h a r a c t e r i s t i c sa n de l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e so f s i wa n dr e c t a n g u l a rw a v e g u i d ea r ea n a l y z e df i r s t l y b r o a d b a n dt r a n s i t i o n sb e t 、) i r 啪 s i 、7 i ra n dr e c t a n g u l a rw a v e g u i d ea r ed e s i g n e db a s e do ni m p e d a n c em a t c h i n ga n df i e l d m o d et a p e r i n g m e a n w h i l eac o u p l e rb e t w e e nc o p l a n a rw a v e g u i d ea n ds i wi sd e s i g n e d b a s e do nc o u p l i n gt h e a r yo fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l dm o d e i nc h a p t e r5 ，t h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fh m s i wa n dd e c t r o m a g n e t i cb a n d g a p ( e b g ) a r ea n a l y z e df i r s t l y b a s e do nt h e s ec h a r a c t e r i s t i c sa b r o a d b a n db a n d p a s s f i l t e ri sd e v e l o p e d t h e nr e s o n a n ta n dr a d i a t ec h a r a c t e r i s t i e so fh m s i wa r es t u d i e d b a s e do nt h e s ec h a r a c t e r i s t i c s ，a nh m s i wa n t e n n ai sd e v e l o p e dw i t hm i c r o s t r i pl i n e n a b s t r a c t f e e d i n ge l e c t r o n i nc h a p t e r6 ，t h es u m m a r yo ft h ew h o l ed i s s e r t a t i o ni sg i v e n , a n df u t u r er e s e a r c h t o p i c sa r es u g g e s t e d k e yw o r d s ：s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，g u n no s c i l l a t o r , t r a n s i t i o n c i r c u i t , b r o a d b a n df i l t e r , m i n i a t u r i z e da n t e n n a r i 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本入在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他入已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我同工作的同志对本研究所徽的任何贡献均已在论文中作了魄 确的说明并表示谢意。 参罗年善月罗。日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：枞导师签红丝墨 日期： 口多年6 月扣臼 第一章绪论 1 1 研究背景与意义 第一章绪论 微波毫米波技术可以说是- - i - j 古老而又永葆活力的科学，其数学理论基础一 电磁场理论于十九世纪中期形成。1 8 6 4 年，m a x w e l l 发表了论文ad y n a m i c a l t h e o r yo f t h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l d ) ) ，为微波毫米波技术的诞生发展奠定了坚实的 数学理论基础，自此以后到现在的一百多年里，该领域里的科学家和技术工程师 们从不同的角度和层次把该理论运用于实践活动，早期的工作包括h e r t z 实验，马 可尼的跨洋无线电通信，二战时期雷达技术的应用等等。到了今天，微波毫米波 技术的应用领域已经广泛涉及到无线电广播电视、卫星通信、移动通信、无线接 入以及材料的无损探测、医学检查和治疗甚至人们用电磁波来探测地球内部复杂 的地质构造来预测其复杂的地质活动等诸多方面：同样微波毫米波理论与技术也 是光纤通信和高速数字电路相关理论研究与技术开发的基础【i l 。 在微波毫米波电子系统中，导波结构是这些系统的关键部件。总得来说导波结构 的发展是从种类单一到多样化，从立体结构到平面集成，其损耗也越来越小，集 成度也越来越高。导波结构的发展过程同时也反映出了整个微波毫米波技术发展 的历史进程。1 8 9 7 年，r a y l e i g l l 发表了中空金属圆波导的论文【2 】，但很快就被遗忘 了。到二十世纪三十年代，g c s o u t h w o r t h 和w l b a r r o w 各自独立发现了中空 的金属波导可以引导电磁波传输【3 羽，由此波导的模式理论也同时被建立起来，此 后，金属波导特别是矩形波导在微波毫米波的导波结构中占据了主导地位。由于 结构的笨重和受到截止频率的限制，五十年代人们就开始寻求其它形式的导波结 构，以支持更宽的工作频带。微带线、共面波导和带状线的出现满足了实际的需 要【州，也标志着微波平面印制板电路的开始。这类结构取代了笨重昂贵的金属波 导，具有重量轻、成本低、易于加工等优点。1 9 5 5 年微带线的出现使得微波电路 的混合集成成为可能【7 j 们，无源和有源器件都可以方便地互连互通了；稍后又相继 出现了槽线、共面波导和鳍线等多种导波结构【1 1 1 ，到了七十年代，微波平面印制 电路板技术已得到充分地发展，开始出现各种独立工作的微波电路功能模块，包 括放大器、振荡器、移相器、混频器等，并可以大批量生产和使用了。微带有下 电子科技大学博士学位论文 面两个优点：1 ) 可用印刷电路板的方法做成平面电路，电路结构十分紧凑，体积 小，重量轻，成本低；2 ) 微带线结构的半边是开放的自由空间，连接和安装微波 有源器件十分方便口1 引。但微带电路的缺点也是明显的：微带结构是半开放的电磁 场结构，能量的泄漏和辐射也是明显的。所以微带电路的插入损耗大、q 值比较低 ( 比同轴线低一个数量级，比波导几乎低两个数量级) ，在构成滤波器、谐振器等 要求高q 值的器件时损耗性能就较差，这在某些应用场合中是不能容忍的。共面 波导( c p w ) 自从1 9 6 9 年被提出以来也同样广泛地应用于微波集成电路( m i c s ) 和单 片微波集成电路( m m i c s ) 中。传统的c p w 在介质基片上是由中间的金属导带和导带 两侧的半无限大金属地构成的多导体传输系统，可以传播准t e m 模，人们可以用 c p w 实现宽频带的微波毫米波电路。与微带电路相比c p w 电路有下列优点：) l 与微 波集成电路和元件的串并联更加方便；2 ) 接地时不需要金属导带的回转和通孔结 构；3 ) 减小了辐射损耗：4 ) 因为导带两侧金属地的存在，其串扰也比微带线小得 多。但是c p w 电路也具有与微带电路相似的缺点：损耗较大、q 值比较低。 微波电路的实现在工艺上主要依靠两类技术：厚膜和薄膜技术。最早出现的 是厚膜技术工艺；到了八十年代，一种基于薄膜技术的结构开始出现了，即低温 共烧结陶瓷( l t c c ) 基板【1 2 d 4 1 。这种结构的优点是：集成度高，可以在此结构中集 成电容、电阻、电感、传输线及偏置电源等，具有很大的设计灵活性；微带线、 带线、共面波导和矩形同轴线都可以集成在同一个模块中；而有源电路和器件可 以置于顶层。为了进一步降低系统成本，随即又出现了系统集成组件( s p ) 孓1 7 】， 把各种无源、有源元器件封装在一块多层电路基片中。一般来讲，薄膜技术适于 工作在较低的微波频段，l t c c 基板的集成度高，而s i p 更适于高性能的系统级集 成及应用。 前面所讨论的结构着眼于封闭波导，或者主模是由导体所引导的半开放式结 构。另一类电磁波的传输形式是所谓的表面波形式【1 8 - 1 9 ，这类电磁波可以由介质 表面引导而不会向外辐射，主要应用在毫米波波段。1 9 1 0 年，d h o n d r o s 和p d e b y e 曾研究了电磁波在介质杆引导下的传播特性【2 0 】。二战后，英国的b a r l o w 和他的小 组在表面波领域做出了很多贡酬2 1 1 ，1 9 6 0 年前后，d d k i n g 提出了介质镜像波导 2 2 1 ，t i s h e r t 是出了“h ”形介质波导，后来又出现了“g ”形介质波导【2 3 2 4 】，这两种波导 经过一些改进后，在毫米波技术中得到了广泛应用【2 5 1 。其中“g ”形介质波导在二十 世纪八十年代初由t y o n e y a m a 等人改进为非辐射性介质波导( 1 岍m ) 【m 2 1 。另外， 在u n i v e r s i t yo fi l l i n o i sa tu r b a n a - c h a m p a i n 的rm i t t m 和t i t o h 等在介质波导方面 2 第一章绪论 也做了很多很出色的贡献【4 3 删。这类导波结构无论是在微波毫米波技术领域【4 5 - s 9 ， 还是在光学领域都有着很广泛的应用。人们对周期结构也进行了深入的研究 6 0 - 7 4 】， 特别是近年来对光学领域的二维三维周期性结构的深入研究，形成了一个新的研 究领域一光子晶体带隙( p b g ) 结构r 7 5 碉】。光子晶体带隙结构在微波毫米波技术领域 中也得到了充分的研究和关注，并形成了微波毫米波技术中一个新的研究领域一 电磁带隙( e b g ) 结构。 导波结构大致可分为两大类：平面结构和非平面结构。平面结构包括微带线、 共面波导、槽线、鳍线等，非平面结构包括矩形波导、同轴线、介质波导等。现 代电子设备对系统的集成度、损耗等指标的要求越来越高，以使其易于大批量生 产并降低成本。平面结构电路非常适合电子元器件的集成，各种电子元器件可以 很容易地在平面结构电路上与微带线或共面波导等导波结构相互连接，而且多层 平面电路结构可以达到更高的集成度。当然平面电路结构也存在着自身的缺陷， 由于导体损耗、辐射损耗和介质损耗的存在，使得平面电路在工作频率较高特别 是在毫米波频段时辐射损耗较大，电路的q 值也不高，同时也容易造成电路之间的 相互干扰较大。与之相反，非平面电路结构的优点正是在于低损耗，例如各种介 质波导特别是非辐射介质波导( n r d ) ，由于引导的是表面波，其导体损耗和辐射损 耗就小到可以忽略不计了。这些独特的特性使得它在毫米波技术中得到了广泛应 用。但是n r d 并不适合于混合电路的平面集成，因为这种波导与平面电路元器件 连接时非常复杂，有时甚至无法连接。普通矩形波导无论在理论上还是应用上已 经很完备了，有很多计算公式可以利用，而且矩形波导谐振腔的q 值可以做得很高， 但是普通矩形波导在系统集成中也有先天不足，作为一种立体结构，很难与平面 电路元器件互连互通。为了解决这个问题，19 9 6 年文献f 9 0 】提出了一种集成n r d 立 体结构和平面电路的混合电路结构，这种结构利用n r d 实现无源部件的功能，而 有源器件安装在上下介质基片上，二者通过缝隙耦合实现互连互通。这种混合集 成结构提出以后，人们己相继制作了采用该结构的滤波器、振荡器、功分器等多 种单元电路模块，测试性能与分析结果也符合得很好，具有一定的实用性和使用 灵活性。 上述的非辐射性介质波导与平面电路的混合集成是基片集成电路的一个重要 组成部分；所谓基片集成电路，是指在单层或多层介质基片上集成多种导波结构， 实现了一定功能或系统性能的电路【9 1 - 9 3 1 。 微带线与n r d 实现互连集成后，文献 9 4 x 系统阐述了平面与非平面电路之间 电子科技大学博士学位论文 的集成问题，并提出了一种基于介质基片的波导结构一基片集成波导( s m 。这样 基片集成波导与平面电路的有效结合就为基片平面集成电路开辟了一个新的发展 方向和研究领域；而且，基片集成波导与新的电路工艺技术( 低温共烧结陶瓷l t c c 、 多芯片组件m c m 和微机械加i m e m s 等) 进一步结合，就可使得基片集成波导及其 电路不断地从理论研究走向实际应用，并充分显示其优越性( 轻量小型化，低损耗、 低辐射和高度平面集成等) 。 1 2 国内外研究现状 从以上所述可以发现，与微带线和共面线一样，基片集成波导也是一种平面导波 结构，是平面基片集成电路的一个重要领域，其基本思想是在介质基片上用相邻 很近的金属化通孔形成电壁，与上下金属面一起构成类似于普通矩形波导的结构。 这种结构能够在基片上实现矩形波导传输线及其各种不连续性结构，如滤波器、 功分器以及天线等等。与传统的波导元器件相比，这种结构成本低，加工简单， 能够在普通介质基片上实现高q 值的部件，因此更适合应用于微波毫米波电路中； 当然二者无论在结构上还是在电性能上都存在一些明显区别。由于基片集成波导 的两条窄壁上分布有周期性的缝隙，当缝隙的尺寸远远小于波导波长时，可以近 似地认为该波导沿纵向z 方向结构是均匀的，即相位在传播方向上是连续变化的， 由于封闭系统中可以存在快波，因此不会产生阻带；但是波导中的快波在一定频 段会转化为慢波。在这种条件下得到的传播特性与均匀矩形波导非常类似，仅仅 是相当于宽边尺寸发生了一些微小的改变。当周期宽度能够与波导波长相比拟时， 模式之间会因为空间谐波产生耦合，有可能会出现周期性的通带和阻带。把s i w 作为一种新的导波结构，j h i r o k a w a 、m a n d o 、h u c h i m o r a 和t t a k e n o s h i 曾对 类似于s i w 的叠层电路进行了分析，但还没有明确地提出基片集成波导的概念 【9 5 伽。y c a s s i v i 和kw u 利用边界积分谐振模式展开法对s i w 的色散特性进行了 分析【9 3 1 ，而w h o n g 等人使用频域有限差分法研究了s i w 的传播特性，并给出了 传播参数与金属通孔周期的关系【9 9 1 。s i w 与其它导波结构的互连问题也得到了充 分研究：文献【1 0 0 】研究了微带线与基片集成波导的互连问题，该文采用微带尖劈 结构实现了s 1 w 与5 0 欧姆微带线匹配，测试显示在中心频率为2 8 g h z 处，回波 损耗优于2 0 d b 的相对带宽达到1 2 ，带内损耗小于0 3 d b 。文献 1 0 1 对s 1 w 结构 作了一些改进，在波导内加载了两排空气孔，这样在8 1 8 g h z 的频带内测得的数 4 第一章绪论 据为s 2 1 1 5 d b 。z c h a o 和w h 0 n g 等人在s i w 集成周 期结构，利用s i w 的高通特性和周期结构的带阻特性获得了8 5 - 1 6 5 g h z 的超宽带 带通滤波器，通带内回波损耗大于1 5 d b ，插损小于2 d b 1 0 7 1 。s g e n n a i n 等人用s i w 结构实现了t ”型和叩型功分器，工作在k a 波段，r ，型功分器回波损耗大于1 9 d b 的相对带宽达到1 0 2 ，而甲型功分器回波损耗大于1 8 5 d b 的相对带宽为2 5 2 。 文献 1 0 8 】中采用类似于普通矩形波导的周期性开槽阵列天线技术，对一种基于基 片集成波导的阵列天线也完成了理论分析和实验测试。成都电子科技大学宋开军 等人设计了s i w 功率合成器，在x 频段1 5 d b 回波带宽为3 0 0 m h z 、0 5 d b 插损带宽 为5 0 0 m h z 、最小插损值为0 5 d b 、最大合成效率为9 4 4 。在k a 频段1 5 d b 回波带 宽为7 0 0 m h z 、0 5 d b 插损带宽为1 4 g h z 、最小插损值为0 6 d b 、最大合成效率为 9 3 3 t 1 0 9 - 1 1 0 】。2 0 0 7 年又出现了一种新的导波结构一半模基片集成波导m a l fm o d e s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e 缩写为h m s i 、7 v ) ，它保留了s i w 的优良性能，同时大 小是相应s i w 电路大小的一半。基于h m s i w 结构b “u 和w h o n g 等人成功设计了 定向耦合器。y - q w a n g 、y - j c h e n g 和w h o n g 等人又成功设计了带通滤波器和 定向耦合器【l u q l 2 1 。 5 电子科技大学博士学位论文 综上所述，基片集成波导这种新型导波结构己经越来越引起人们对其进行理 论研究的热情并更多地让它能进入实际工程应用。 1 3 论文的主要内容、贡献和结构 本论文对基片集成波导的理论和技术及其在微波毫米波电路中的一些应用进 行了系统的研究。 本论文的主要内容共分六章。第一章介绍了论文的研究背景、国内外研究现 状，以及一些常用的基片集成波导的分析和设计方法。第二章中我们采用边界积 分谐振模式展开法( b o u n d a r yi n t e g r a l r e s o n a n tm o d ee x p a n s i o n 简称b i r m e 法) 、并 矢格林函数求各金属圆柱散射叠层等分析方法分析了基片集成波导的电磁传输特 性( 工作模式、色散特性和衰减常数等) ，特别是分析了基片集成波导的传播常数和 损耗因子与金属通孔的直径、间距等几何尺寸的关系。最后通过理论研究和实验 测试证实：在通孔间距小于0 2 以的情况下，两排通孔可近似等效为电壁，这种条 件下s i w 具有普通矩形波导的工作特性，最后分析得出了基片集成波导与矩形波导 等效的计算公式。第三章中首先分析了s 刑谐振器的几种结构形式、工作模式、q 值和损耗特性以及其与外电路的耦合方式，并通过实验验证了s i w 谐振器的实用 性；最后结合体效应二极管负阻振荡器的工作原理设计出了三种基片集成波导体 效应二极管振荡器，实验测试结果表明，这类振荡器的技术指标基本能达到工程 实用的技术要求。第四章中重点研究了基片集成波导与矩形波导的相互转换问题。 首先我们从理论上分析了不同导波结构的阻抗匹配过程，然后再分析它们之间的 电磁场模式渐变与匹配问题并且进行了实验验证。在设计基片集成波导与矩形波 导的转换电路中我们着重分析了对极鳍线的电磁场模式和阻抗特性，通过对极鳍 线金属轮廓线的弧形渐变来实现基片集成波导与矩形波导的阻抗匹配和电磁场模 式渐变，从而实现了s i w 与矩形波导的低损耗转换。第四章的第二部分内容先介绍 相同和不同导波系统之间的模式耦合理论，接着结合模式耦合理论设计了s i w 与另 一种导波结构( 共面线) 的耦合结构，该耦合结构的设计成功可为基片集成电路 的研究与应用提供更大的灵活性。第五章我们首先采用类似s i w 传播特性的分析方 法得出了半模基片集成波导( h m s l 9 0 的传播特性高通特性，结合电磁带隙的传播 特性一带阻和低通特性，设计出宽带带通滤波器；然后我们采用类似于微带天线 的分析方法分析得出h m s i w 谐振结构的谐振模式和辐射特性，并采用该谐振结构 6 第一章绪论 设计出采用h m s l w 结构的小型化天线，该天线尺寸是相应微带天线尺寸的一半。 第六章是本文的总结以及对下一步研究工作的展望。本论文的主要内容和贡献如 下： 1 、采用金属圆柱散射叠层分析方法、边界积分谐振模式展开( b o u n d a r y i n t e g r a l r e s o n a n tm o d ee x p a n s i o n 简称b i r m e ) 法分析了基片集成波导的电磁传 输特性( 工作模式、色散特性和衰减常数等) ，得出基片集成波导与矩形波导等效的 计算公式和基片集成波导几个重要的设计公式。 2 、研究并设计了几种基片集成波导和半模基片集成波导谐振器，通过分析这 几种谐振器的谐振模式、其高q 值和平面集成的特点以及体效应二极管的负阻特 性，设计出三种基片集成波导和半模基片集成波导体效应二极管振荡器。 3 、研究了s i w 与矩形波导的电磁场模式及阻抗特性，对二者的模式渐变和阻 抗匹配问题进行了分析设计和实验验证。同时采用模式耦合的分析方法设计出一 种共面线与基片集成波导的耦合结构( c p w s i w 耦合器) 。 4 、研究并设计了一种基于半模基片集成波导结构和电磁带隙( e b g ) 的宽带带 通滤波器。 5 、基于半模基片集成波导( h m s i w ) 结构开发出一种新型电磁辐射单元，并利 用该辐射单元设计出一种小型化天线。 7 电子科技大学博士学位论文 第二章基片集成波导的传播特性 微波毫米波电路的一个很重要的发展趋势是追求其小型化、高度平面集成。 传统金属波导具有损耗低、q 值高、承受功率大等优点，但其尺寸体积大，难于 与其它微波、毫米波电路平面集成，更难以实现轻量小型化，而且加工难度和制 作成本都比较高。微带等平面传输线被广泛应用于平面集成微波、毫米波电路中， 但由于其传输损耗大、辐射干扰强等因素，也限制了这类电路的应用。同时，由 于微带等平面导波结构损耗大，品质因数低，因而采用它所设计制作的各种微波 毫米波电路，如功分器、谐振器、滤波器等，其电路的一些关键性能指标( 如损 耗特性等) 就不如波导元器件，在很多场合下就更没法替代波导元器件，不能满 足某些微波、毫米波系统的关键性能要求。 基片集成波导( s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e 缩写为s l w ) 是一种在介质基板 上采用电路印制工艺实现的新型微波、毫米波导波结构。这种波导是一种平面导 波，同时它又具有与传统金属波导相似的传播特性，因而兼有了金属波导传输损 耗小、q 值高等优点同时又易于平面集成：可以用来设计各种高q 值的无源和有 源器件，诸如转换器、滤波器、环行器及天线等凹- 9 7 ，而且将基片集成波导元件 与有源器件结合，可设计各种高性能的有源电路【。0 1 】，从而广泛地应用于微波及 毫米波电路中。此外，由于基片集成波导是一种类似于普通金属波导的准封闭平 面导波结构，它除了具有类似于微带传输线的平面集成特性外，几乎严格消除了 由于辐射和基片中的导波模式所引起的电路中不同部分的相互干扰。它与传统矩 形波导所不同的特点是：平面集成，与有源器件的兼容性好，具有体积小、重量 轻、装配简单、加工容易和成本低等传统波导所没有的优点，便于电路的轻量小 型化【9 8 。】，。可以用来设计很多高q 值、低损耗的平面微波毫米波电路。本章中 我们来首先介绍基片集成波导的实现方法及其分类，然后采用一些电磁场的数值 方法来分析其传播特性。 2 1 基片集成波导结构的实现方法及其分类 基片集成波导( s 啪就是将传统波导结构集成在基片中，或在介质基片中形成 第二章基片集成波导的传播特性 该波导结构，其实质是一种介质填充波导结构【1 1 3 】。基片集成波导是由左右两排金 属化通孔、上下两层金属面以及中间的填充介质构成，如图2 1 所示。金属化通孔 的直径和孔中心之间的间距分别为d 和p ，两排金属化通孔的中心间距为w ，介质 基片的介电常数和厚度分别为易和h 。基片集成波导的两排金属化孔构成了波导的 窄边，上下表面的金属层构成了波导的两个宽边，电磁波在介质基片左右两排金 属化通孔和上下金属面所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导中的场模 式传输。基片集成波导的传输特性可采用频域有限差分法4 1 、时域有限差分法【1 1 5 、 直线法 1 1 6 等方法来求解得到。与普通金属矩形波导相类似，基片集成波导的最低 工作频率( 或截止频率) 主要由两排金属化通孔的间距w 确定；但与普通金属矩形波 导所不同的是，基片集成波导的两窄边不是理想的电壁，而是由两排金属化通孔 构成的近似金属壁的“准“ 电壁。当波导中传输微波信号时，在波导表面将产生 表面电流，而构成基片集成波导两窄边的两排金属化通孔间存在缝隙，如果金属 化通孔问的缝隙切断了表面电流，就会产生辐射，导致微波能量泄漏。由于电磁 波能量的泄漏主要是由金属化通孔之间的缝隙引起的，这种能量的泄漏会增大传 输衰减。显然，金属化通孔间缝隙越小，能量泄漏就越小。当缝隙等于零，即通 孔无缝隙连成一排时，能量泄漏为零，但这时会破坏基片的结构。实际上，对于 印刷电路板( v c a ) i 艺或低温共烧陶瓷( l t c c ) i 艺等，对金属化通孔的最小孔径和 间距都有严格的要求。因此设计基片集成波导时，必须在满足工艺规范的条件下， 通过优化w p 、p d 的大小，使得能量的泄漏减少到可以忽略不计的程度。另一方 面，如果缝隙顺着表面电流的方向，辐射就会变得很小。但当两相邻金属化通孔 之间的距离p 小于波导波长厶的五分之一且p z 区域取上面的符号，针对z z + m ( ，k ，岛z ) m 。( ，k ，h - z ) ，z p l m ( ，k ，p ，z ) 一j 妻乳弧( 以( p ) e - s ，s i n k 为p 纠 ( 2 - 8 ) i v x v x ( 碰2 ( p ) e - s “ c o 叱z 三) p p 。 七= 国厩，乙= ( m 力j i l ，k = 瓜且 吒o2 1 0 f o rm o 变换坐标系，对新的圆柱坐标系区域户p 和户 户中6 仲甲( ，。) 可改写为： 1 4 第二章基片集成波导的传播特性 其中 c t p p w ( r ，r 9 = 一万1 三三万( ，一，) 一莓( 1 寺) 去 ( v 锄( v )( 2 9 ) 磁2 ( ip - p 1 ) z ( 匕，z ，z ) + 砉( v v 三) ( v x v 三) 磁2 ( 后。ip 一1 ) 7 ：( k ，z ，z ) 】 驴 麓蓝答 囝 囝 国 ( 2 - 1 0 ) 图2 5 同轴和波导端1 2 1 的坐标系 下面来分析金属通孔的影响： 在没有金属圆柱通孔的平板波导其磁流的辐射场和金属圆柱的散射场合在一 起总磁场为： 1 5 电子科技大学博士学位论文 h r o r ( ，) = - j o ei d p g ”驴， ) 厶( ，i ) + 日南i ( ，) ( 2 1 1 ) 上式中散射场是以金属圆柱为中心从金属圆柱出发的外向波，表示为： 。( ，) = 【鸠( ，k ，p - p z ，h - o a ： ， h 一 ， ( 2 - 1 2 ) + 虬( ，k ，p 一岛，h z ) 。， 如图2 5 所示z 是圆柱体的指针跨度，m 半径坐标，n 角度坐标。岛是圆柱z 的中 心点的坐标位置。心f ，“未知待定系数。对任意给定的圆柱q ，由激励源产生 的入射场和总场以及由其它圆柱体产生的散射场。使用圆柱体矢量波动方程的相 关理论，就可把圆柱体g 坐标下的入射场表示出来。由于圆柱体表面的边界条件 的约束使得其表面总的切向电场( 包括入射场和散射场) 消失了。由这个边界条件 可得到两个方程，一个是t m 波的散射，另一个是t e 波的散射，从这两个方程中 我们可解出方程( 2 1 2 ) 的系数，这样的求解方法可对所有的圆柱重复使用来得到以 下形式的一组方程： r 等= 蟛嚣，。名+ 0 i - q 月 ( 2 - 1 3 ) ，= 畿茜鼢 w 4 时金属圆柱形成的电壁其表面阻抗为感 性；当r a 2 处，平行于波导壁的纵 向阻抗定义为： 仇= 考= 器c o t ( 詈x ) 弘5 ， 我们假设s i w 的宽度为a 而等效矩形波导的宽度为a 。式( 2 - 4 9 ) 的s i w 边壁的 表面阻抗取决于波导壁反射的平面波的入射角口。式( 2 5 1 ) q 口的矩形波导虚拟边壁 的表面阻抗取决于在波导内部向不同方向反射的平面波的入射角0 。我们可使表达 式( 2 5 1 ) 和( 2 4 9 ) 1 拘表面阻抗相等；然后可等到以下等式： 掣h ( 云) 2 鼢c o t ( 等) 弘5 2 ， 此时可计算得出s i w 的等效宽度a 小警c 留。1 ( 芸n 森w ) ( 2 5 3 ) 其中a t 是s i w 的宽度、w 是两相邻金属圆柱之间的距离、尺是金属圆柱的半径、a 是等效矩形波导的宽度，等式( 2 5 3 ) 表明当金属圆柱半径r 小于金属圆柱之间的距 离矿时，等效矩形波导的宽度a 大于s i w 的宽度a ，反之依然。该等效意味着宽 度为a 的s i w 的传播常数几乎与宽度为a 的矩形波导相等，这样就得到了一个 标准公式【1 2 7 1 。 第二章基片集成波导的传播特性 图2 8 传统的矩形波导的结构示意图 ：j 百r ：、二 ；一 i !溥了 筻 h 。! ； ， ；，- t j 2 i 矗 彳| p ! - 工曩4 e 2 z ： l vl； i ：、百 ! 、二 ： 地 ! r l s i 、 l l r , ； 。-jh i l 麓，。 i ，。 l ! 工t 口垤 i l t 丑矗嫩呈 目e j i z 面阻抗仉= 0 f t ) 0 4 ( b l t l 及 图2 - 9 矩形波导和s i w 俯视图一半中的电力线和磁力线 以下是物理上的直观解释。图2 - 9 是当r 形两种情况下矩形波导 和s i w 内部电场和磁场线的顶部的一半。右边的实线代表矩形波导的实际边壁， 旁边的虚线代表$ i w 的金属圆柱电壁，实心小圆圈代表h 面的电场线，半椭圆代 表h 面的磁场线。 根据传输线理论，矩形波导的实边表示表面阻抗为0 的短路负载，电磁波在 两个短路边之间来回反射，从短路边负载到波源，阻抗变成感性。现在我们用金 属圆柱来代替感性阻抗，并移去实际矩形波导边，内部的场保持不变。图2 9 ( a ) 代表当r 形时为了使得s i w 中传 电子科技大学博士学位论文 输t e l o 模，s i w 中金属圆柱电壁位于s i w 等效的矩形波导的实际电壁的内侧，简 而言之，当r 嘭时s i w 的实际宽度口大于它所对应的等效的矩形波导的宽度口。 当2 9 2 0 九。这意味着在准静态形 厶2 0 时的金属圆柱的间隔w n 显 大于九2 0 。实际上硬件实验证明甚至当w = 0 1 3 3 3 厶或w = 九7 5 时等式( 2 5 3 ) 也成立。由于它可以在每单位长度上使用较少数量的金属圆柱，这样的宽度陟正是 所期望的，然而仅仅用乃 凡并不能解释为什么要用这样的宽度。 在宽度为形时，用表达式( 2 - 4 1 a ) 计算相邻和非相邻的金属圆柱之间相互耦合 的方法都是非静态的但类似准动态的。更多的分析告诉我们显然方程( 2 5 3 ) 仍然满 足准动态方法，只是受限于金属圆柱之间距离形大小的条件。研究这个上限条件 将是一件有意义的事。另一方面中，金属化圆柱的半径r 九2 0 时公式( 2 雄) 保 持为准静态。 2 3 3 理论分析和实验验证 a 、等效宽度和传播常数 我们用上述方法来验证等效波导的宽度口与金属圆柱半径r 之间的变化关系， s i w 的宽度口和金属圆柱的间隔为形保持固定不变，基片的介电常数= 2 3 3 ， 宽度口_ o 5 九，金属圆柱之间的间隔w = o 0 4 7 & ，工作频率f o = i o g h z 。等效矩 形波导的宽度a 与金属圆柱半径月大小的变化关系如图2 1 0 所示，从该图中的虚 线所示可发现当r = w 4 时等效的宽度口刚好等于s i w 的宽度a ，也即是 a = a = 0 5 2 ；当r w 4 时，等效的矩形波导的宽度a 小 于s l w 的宽度a 同样可从图2 1 0 中清楚地看到。这些实验结果与上节的物理解释 望三蔓墨丛墨壁鎏量塑堕塑壁堡 是符合的。图2 - 1 0 同样也表示丁由公式( 2 4 9 ) 表示的s i w 的传播常数与金属通孔 的半径r 之间的关系。从该图中也可看到当金属圆柱的半径减小时s i w 的等效矩 形波导宽度d 减小导致导波波长增大而传播常数减小。 等 效 矩 形 波 导 的 宽 度 金属圆柱半径州单位哪) 图2 - 1 0 当s i w 中4 = o5 矗，矿= 0 0 4 7 ) , ，= 2 3 3 ，f o = 1 0 g h z 时s l w 的等教矩形波导宽 度a 和传播常数卢与s i w 的金属圆柱中径r 的关系 圈2 - 1 1 工作于x 频段的s i w 结构 传播常数bf；晕_) 电子科技大学博士学位论文 f r e q u e n c y ( o a z ) 图2 1 2s d v 传播相位常数的实验结果和x 频段等效波导的两种理论分析结果 ( 口= o 7 0 8 2 0 ，w = o 1 3 矗，r = 0 0 1 6 7 凡，长度l = 4 2 7 4 2 0 ，f o = i o g h z ) 为了验证上述理论分析的有效性，如图2 - 11 所示制作了一个工作于x 频段的 s i w 结构的实验，s i w 的宽度a = 0 7 0 8 2 0 ，空气中传播的电磁波工作频率 厶= 1 0 g h z 。顶部和底部的金属平板用两排金属铜柱支撑，两排金属铜柱之问的 距离w = 0 1 3 3 2 0 ，金属圆柱的半径r = 0 0 1 6 7 2 0 ，s i w 的长度l = 4 2 7 4 2 0 。为了测 量传播常数，我们制作了长度分别为厶和厶的两个两端外接同轴和矩形波导转 接头的s i w 结构。在每部分的两个端口测得了相位分别为确或么；于是相移常数 = ( 陋一办i ) ( 1 厶一厶1 ) ，此外s i w 两个边壁的外侧放了一些吸波材料吸收从金属圆 柱泄漏到周围空间的电磁波以避免s i w 内部电磁场反射引起的失配。测量得到s i w 的相移常数和本文上述的理论分析结果以及文献 9 8 介绍经验结果如图2 1 2 所 示。从图中可发现三个结果符合得很好，平均误差2 ，最大误差6 。实验结果证 明了我