基片集成波导

基片集成波导技术研究张小川导师：徐军研究背景

各种导波结构可分为两大类，即平面结构和非平面结构。平面结构包括微带线、共面波导、槽线等等。非平面结构包括矩形波导、同轴线、介质波导等等。

平面结构适合系统的混合集成，然而，这种结构也存在着自身的缺陷，由于导体损耗、辐射损耗、介质损耗的存在，使得平面结构不利于工作在毫米波频段，也无法构成高Q值的部件。

非平面结构的损耗低，故可以构成高性能部件。但是作为一种立体结构，非平面结构很难与平面结构或有源器件有效集成。正是为了解决上述矛盾，一种基于介质基片的波导结构被提了出来，这就是我们所研究的对象——基片集成波导（SIW）。它为平面集成电路的研究开辟了全新的领域。基片集成波导的概念

基片集成波导（SubstrateIntegratedWaveguide，简称SIW）是一种近年内出现的新型微波传输结构,是基片集成电路的一个重要内容，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波导的结构。基片集成波导金属波导半波基片集成波导（HMSIW）的概念

在波导结构中，对于主模来说，在传播方向的中心面是电场最强的地方（法向电场为零，切向磁场为零），所以中心面可以被看作是磁壁，根据这种思想，通过假想的磁壁将SIW从中心面切割成两部分，这样一个SIW就变成两个HMSIW,这种新结构继承了SIW的传播特性，这种假想的磁壁只是为了论证这种思想，考虑到实际应用的情况，从切面延长一点，这样可以防止能量的辐射。CST仿真的主模场分布（8GHz），基片厚度为1mm，0.5mm处的电场分布S_Parameter(S11,S21)半波基片集成波导基片集成波导国内外研究现状

1、1998年J.Hirokawa等人曾对类似SIW的层叠结构进行了分析，但是没有明确的提出基片集成波导的概念。2、2002年K.Wu等人用边界积分模式展开法对SIW的色散特性进行了分析。3、H.Li等人采用频域有限差分法研究了SIW的传播特性，并给出了传播参数与金属通孔周期的关系。（2002年）4、D.Deslandes研究了微带线与基片集成波导的互连问题，该文采用微带劈形结构实现SIW与50欧姆微带线匹配（2001年），同年，他们还分析了SIW与共面波导的互连问题。5、D.Deslandes对SIW进行了改进，在波导内加入两排空气孔，改善了SIW的性能。6、W.Hong等人提出了半波基片集成波导(HMSIW)的概念(2006.10)，在此基础上已经有关于HMSIW耦合器报道(2007.3)。结论：由上面的分析可以看出，无论在理论还是应用方面，这种新型波导结构已经越来越受到重视。5、在此基础上，出现了大量的关于微带集成波导的器件的报道，目前出现的SIW所构成的部件已经有：滤波器、振荡器、功分器、混频器、定向耦合器、天线等等。介电常数1,a=20mm,s=5mm,d=10mm,

上图为普通波导，中间s/d=0.5时的场分布，下图为s＝d时的场分布衰减因子随缝隙的变化相位常数随缝隙的变化从损耗因子随缝隙变化的轨迹，可以看出，当满足s≤0.2λ这个条件时，泄漏损耗可以忽略不计。相位常数

基片集成波导和微带传输线的转接形式

由于工作频段低,s＜＜d,因此不同的孔间距对传播特性的影响很小.基片集成波导和微带线插损测试

长度为100mm，介电常数2.2,a=14mm,s=0.4mm,d=0.8mm,T1=5mm,t2=1.5mm.ApplicationsofSIWandHMSIW1.滤波器2.天线3.振荡器4.功分器5.HMSIW构建的耦合器FilterC波段椭圆函数滤波器

2005年，东南大学洪伟等人提出了一种采用LTCC的SIW的C波段四级的椭圆函数滤波器。中心频率为4GHz，带宽150MHz，带内损耗0.6dB，在3.29GHz、3.89GHz、4.11GHz、4.75GHz分别有四个传输零点。

LTCC滤波器Jong-HoonLee,Stephane

Pinel等设计了一个中心频率为60GHz的带通滤波器，实测结果如下：中心频率58.7GHz，中心频率处插入损耗为2.14dB，3dB带宽为1.38%(0.9GHz).Jong-HoonLee,Stephane

Pinel“Low-LossLTCCCavityFiltersUsingSystem-on-PackageTechnologyat60GHz”IEEETRANSACTIONSONMICROWAVETHEORYANDTECHNIQUES,VOL.53,NO.12,DECEMBER2005Antenna基片上构造了一个4×4的谐振式基片集成波导阵列天线，基片采用介电常数为2.4、损耗角正切为0.001的材料，基片厚度为1.5毫米，金属通孔的直径为1毫米，通孔间距为2毫，每一个谐振单元由4条与波导轴线等距的缝隙构成谐振阵。该天线工作在10GHz，具有600MHz的工作带宽，方向性系数为15.7dB，图1.1为其实物图。基片集成波导缝隙天线阵实物图由于填充了介质，工作波长小于自由空间中的波长所以使得该结构相比矩形波导具有更小的面积，而它的重量、侧面高度更是远小于矩形波导，但是却具有毫不逊色的性能，充分显示了基片集成波导的实用价值。BongSKim,JaeWLeeandKwangSKim,etc.PCBsubstrateintegratedwaveguide-filterusingviafencesatmillimeter-wave.IEEEMTT-SInternationalMicrowaveSymposiumDigest,2004,Vol.2:1097-1100文献报道了一种基于基片集成波导的振荡器，该振荡器利用由基片集成波导形成的矩形腔体作为谐振和反馈部件，工作频率为12.02GHz，有载Q值测量为178。YCassivi,KWu.LowCostMicrowaveOscillatorUsingSubstrateIntegratedWaveguideCavity,IEEEMicrowaveandWirelessComponentsLetters,2003,Vol.13(2),48-50振荡器S.Germain等人用实现了“T”型和“Y”型功分器，工作在Ka波段，“T”型功分器回波损耗优于19dB的相对带宽达到10.2％，而“Y”型功分器回波损耗优于18.5dB的相对带宽为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加载的基片集成波导滤波器CSSRs刻蚀于印制板的顶层CSSRs刻蚀于印制板的底层等效电路模型等效电路模型SimulatefrequencyresponsecorrespondingtothebasiccellofFig.2(thinline)andFig.3(thickline).

试验结果

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

themeasuredinsertionandreturnlossesareabout2.16dBand11.6dBatpass-band.

CMRC加载基片集成波导滤波器1个CMRC加载仿真的S参数等效电路模型等效电路模型ADS仿真结果介质基片为TMM10,介电常数9.2,厚度1mm中心频率为5.35GHz,带宽为1.7GHz1个CMRC加载仿真的S参数销钉加载半波基片集波导滤波器等效电路模型印制板加工图仿真结果采用基片为：TMM10介电常数9.2，厚度1mm。1dB为7.14GHz-7.61GHz,相对带宽为6%

SubstrateIntegratedWaveguideQuasi-ellipticFilterbasedonsplitringresonator其中SIW腔体为双模工作，谐振模式：TE102和TE201模，等效宽度和等效长度裂环谐振器的谐振频率待解决的问题

1、通过数值计算得到HMSIW