一种新的微带线和矩形波导集成形结构研究

引言

矩形波导可用于设计高Q值的元件，但需要复杂的转换结构实现与平面电路的集成。目前已经有一些针对微带线和矩形波导转换结构的研究，然而，传统的矩形波导平面结构集成方案体积庞大，通常也需要精密的加工工艺。在毫米波频段，这类结构很难实现大规模生产。微带与矩形波导的过渡一般是由两个或多个模块组成，需要通过精密的组装实现，而且需要配备一些调谐结构设计；此外，平面基板必须被切割成特定的形状。上述要求都较难实现，也使得集成的成本十分高昂。

一个比较直接的解决方案就是将矩形波导集成到微带衬底中。这样设计会因为填充电介质、减小体积而减小波导Q值的影响，但是整个电路包括平面电路、转换器和波导都可以使用标准PCB或其他平面加工技术来实现。

本文提出了一种新的微带线和矩形波导集成形式，其中两种不同的结构放置在同一轴上，从而减小了过渡所需的总尺寸。这种过渡结构利用一个锥形微带线来激发波导模式。在实验中，波导是在衬底上用线性阵列的金属化通孔合成的，也可以使用金属化凹槽实现。由于所有组件都设计在同一衬底上，平面制造技术就可以保证优良的机械公差，不需要额外的调谐设计，这对多层结构特别是低温共烧陶瓷（LTCC）平台等多层工艺来说解决了很多难题。

1  介质集成波导技术理论

基片集成波导（SIW）就是由两排阵列的金属通孔或槽连接介质基板顶部和底部的金属接地平面而制成的平面结构，使用SIW技术，非平面的金属波导可以建模成一个平面的集成波导，从而集成在平面电路上。

介质集成波导[1]设计步骤如下：

步骤1，选择s/f（＜2.0）；

步骤2，选择f/e（＜0.2）；

步骤3，根据工作频率计算Weff；

步骤4，根据求解Weff计算e；

步骤5，根据f/e和s/f计算f和s。

式中：Weff表示等效介质波导的宽度；e表示介质集成波导的宽度；f表示通孔直径；s表示通孔阵列的孔间距，具体如图1所示。

当选择f/e小于1/8时，推荐使用如下更简单的设计方式：

式中：c为光速；θ为入射角度；fl为截止工作频率；Ɛr为衬底的相对介电常数。

步骤1，选择s/f（＜2.5）；

步骤2，选择f/e（＜1/8）；

步骤3，选择大于等于30°的入射角，根据公式（2）计算e；

步骤4，根据f/e和s/f计算f和s。

2  微带线过渡到矩形波导设计

50 Ω微带线和波导通过锥形微带线截面连接，可以单个集成测试，也可以背靠背测试。利用锥度将微带线的准TEM模式转换为波导中的TE模式[2]。在同一介电衬底内从微带线[3]到矩形波导的拟制转换结构如图2所示。

微带线非常适合激发波导，因为这两种不同结构的电场方向大致相同，而且它们共享相同的轮廓，如图3所示。首先，可以通过介电效应和完善的波导理论来确定波导口的尺寸。然后设计锥形部分，使50 Ω微带的线宽与集成波导的宽度相关联。

对于矩形基片集成波导，截止频率与宽度和高度有关，因此宽度和高度是比较重要的考虑因素。如图2所示，TE10模式的传播常数只与宽度a有关，因此减小波导的高度或厚度b对TE10模式的传播影响不大。减少尺寸b而使其集成为薄衬底，可以降低微带线辐射损失。然而，降低高度b会增加微带线和矩形波导中的导体损耗。在毫米波频率下，波导截面较小，导体损耗可以控制在相对较低的水平。

矩形波导的侧壁可以通过使用金属化通孔阵列或金属凹槽在衬底内实现。在H平面中，微带线的接地面成为波导的一个金属壁，而锥形微带部分提供了另一个金属壁，这样的排列完成了波导的结构。这种方案适合紧凑型低损耗波导组件，如T型结和滤波器等。

假设acon是常规波导的宽度，其等效介质填充波导宽度aequ由公式（3）表示：

根据aequ，截止频率fc可以由公式（4）计算：

为了防止泄漏辐射，确保物理结构可实现，阵列通孔的孔间距s必须大于通孔的直径f。由于基片集成波导是一种周期性的波导结构，因此在波导带宽内可能会存在带阻现象。为避免在工作带宽中出现带隙效应，应满足以下条件：

式中：λc为截止波长。

考虑到生产效率等因素，通孔的数量应不超过20个：

利用上述设计方法，可以设计出基片集成波导的结构。

微带的宽度取决于介质衬底的高度g、衬底的相对介电常数Ɛr和微带线的阻抗。如图2所示，w和d可由下列公式表示：

式中：λg为波导波长。

利用上述公式，可以设计微带到波导的过渡。使用线性锥形微带，这种平滑过渡确保了微带和矩形波导之间在宽带的场匹配。

3  实验结果

为了验证所提出的概念，设计并测试了LMDS频率范围内的转换。整个结构由两个背靠背的过渡结构组成，由一个长度为16 mm的集成波导隔开。电路构造在0.254 mm厚的电介质衬底上。根据50 Ω微带线及19～32 GHz波导口界面设计，结合图2给出下列尺寸，如表1所示。

平面上的两个壁由0.762 mm的通孔阵列构成，相邻两个通孔之间的间距也是0.762 mm。使用网络分析仪和测试夹具对电路进行TRL校准。

模拟和实测结果如图4所示，其中涉及1.524 mm微带线截面、两个转换结构和16 mm合成矩形波导。在26.65～30.20 GHz范围内，两个背靠背结构回波损耗为40 dB，带宽达到12%以上；在整个频带内插入损耗均优于0.8 dB。这意味着单个微带线向矩形波导的过渡结构回波损耗在20 dB左右，插入损耗优于0.4 dB。实测的插入损耗有时要比仿真的更好，可能是由于在仿真中使用了制造商给出的基片损耗在10 GHz的正切值。

4  结论

本文提出了一种集成微带线和矩形波导的新型平面结构，它涉及两种不同结构之间的过渡。该结构允许在同一衬底上设计完全集成的微带线和波导平面电路，且不需要任何机械组装或调谐。样品的测量结果与仿真结果吻合良好。该方案具有整体集成、体积小、损耗低等优点，非常适合毫米波频率下的电路设计。

审核编辑：刘清