一种新型SIW传输线结构设计

一种新型SIW传输线结构设计
田伟成;汪晓光
【摘要】The SIW structure has the advantages both traditional waveguide and micro-strip structure transmission lines, that is, low radiation, low insertion loss, high Q value, high power capacity, miniaturization and easy connection. The structure and propagation characteristics of the existing SIW are briefly described. Meanwhile, based on the propagation mode of the electromagnetic wave in the traditional waveguide, the relationship between the incidence angle and loss is discussed. By adding a magnetic cylinder on the inside of the metal through-hole on the existing SIW transmission line to affect the incidence angle of electromagnetic wave propagation, a preliminary empirical design formula is acquired. Then the principle analysis is done and ultimately a new SIW transmission line is provided. The practice shows that both the insertion loss and the return loss of the newly-designed structure are better than existing SIW in the same situation, and this structure can be used on X band.%SIW结构具有传统波导和微带型结构传输线的优点,即具有低辐射、低插损、较高Q值、高功率容量、小型化和易于连接等优点.简要介绍现有SIW结构和传播特性,根据电磁波在传统波导中的传播方式,探讨入射角与损耗之间的关系.通过在现有SIW传输线金属通孔内侧加入磁性圆柱,影响电磁波传播入射角,得出初步的经验设计公式,并进行了原理剖析,最终提供了一种新型SIW传输线.实践表明,在同等情况下,所提出的新型设计结构的插入损耗和回波损耗均优于现有SIW,可用于X波段.
【期刊名称】《通信技术》
【年(卷),期】2018(051)003
【总页数】5页(P718-722)
【关键词】SIW结构;X波段;磁性圆柱;入射角
【作者】田伟成;汪晓光
【作者单位】电子科技大学,四川成都 611731;电子科技大学,四川成都 611731【正文语种】中文
【中图分类】TN811+.7
0 引言
基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide，SIW）是一种可集成于介质基片中的传输线结构。

通常，SIW是在介质基板上打两排金属通孔，再在基板两面覆以金属得到的。

在满足一定条件下，将通孔阵列等效为金属壁，传输特性则可近似矩形波导分析。

SIW结构具有低辐射、低插损、较高Q值、高功率容量、小型化和易于连接等优点。

当电磁波在导波结构中传播时，会形成表面电流。

目前，一般使用全波分析法和有限元法来对基片集成波导进行场分析，得出SIW各项参数和传统波导的等效公式。

1 传输线仿真与计算
SIW结构可以看作是一系列特殊的两边墙壁上细薄的插槽的矩形波导。

横向切割这些电流的槽，将会带来大量的电流辐射。

因为横向磁性场会产生纵向表面电流，所以存在纵向电流的TM模和存在横向磁场的TEmn(n≠0)是不能存在SIW结构中
的。

实验发现，如果引脚不焊接在一起的PCB金属板，SIW的参数属性将以非常显着的方式下降。

因此，金属柱不仅起到屏蔽电磁波的作用，而且负责连接表面电流以保持导波传播。

下面是通用的SIW与传统矩形波导的宽边的转换公式[1]：
其中，d为金属通孔的直径，s为相邻金属通孔孔间距，w为两行金属化通孔之间的距离。

本文通过在金属通孔内侧加入磁性圆柱，合理调节金属通孔和磁性圆柱的直径与间隙，使得SIW传输线的性能得到提高。

所述两行磁性介质圆柱设置于两行金属通
孔内侧并与其平行，各行磁性介质圆柱的中心线与同侧金属通孔中心线的行距相等，其距离为0.3～1.2 mm；各行磁性介质圆柱由相同的磁性介质圆柱等间距构成，
如图1所示。

图1 本文SIW传输线结构
设计方法如下SIW经验公式（1）和本结构SIW经验公式s=2.5d-0.360 1，得到对应的中心频率和金属通孔的直径d、相邻金属通孔孔间距s和两行金属化通孔之间的距离w。

将磁性介质圆柱的直径d2、相邻圆柱间隙s2应用经验公式：d=1.133d2+0.04，s2=5.618d2+0.713 6；扫描磁性圆柱行与金属通孔行的最短距离，得到最优化尺寸；固定s、d、s2、d2这4个参数中的一个参数，并扫描其他参数得到最优的尺寸解。

2 入射与性能分析
众所周知，在SIW结构中，金属通孔的直径越小，金属通孔之间的间隙越小，SIW结构的参数性能越好。

这不仅有利于散射特性、泄漏损失和带阻特性SIW结构，而且大大简化了设计流程，并使PCB设计更加紧凑。

如图2所示[2]，电磁波在SIW结构中的传播方式与在传统矩形波导中的传播方式类似，电磁波通过在两
个宽侧壁之间反射而在Z方向上传播。

图3为电磁波入射金属通孔。

通过几何关
系可以得到[1]：
其中θ称为入射角，w为矩形波导的宽边宽度，n为电磁波模式阶数，λ为波长长度。

虽然入射角不是直接可以表征的参数，但是衰减系数与入射角成反比例，从而影响SIW结构几乎所有的性能参数，如图4所示。

图2 电磁波在波导中传输
图3 电磁波入射金属通孔
图4 衰减常数与入射角关系
当频率增加[3]时，如果入射角不变，电磁波的穿透性加强，会使得泄漏量增加。

同时，入射角度会随着频率的增加升高，衰减系数又会变小。

但是，在15°～50°时，该入射角对衰减系数的影响会大于频率对其的影响，特别是低频范围内的频率。

模式顺序增加时，入射角度会减小，导致衰减系数增加，使得SIW结构性能变差。

所以，对于SIW结构，入射角至关重要，一般选择大于或等于30°。

磁性介质圆
柱的加入，使得电磁波在传播时先经过磁性介质圆柱再入射到金属通孔，从而增大入射角，使得衰减系数减小。

新型传输线的插损如图5所示，现有SIW结构损如
图6所示，新型传输线的回波损耗如图7所示，现有SIW结构回波损耗如图8所示。

可以看出，新型传输线插损和回波均优于现有SIW结构，提高了SIW结构的性能。

3 结语
通过在传统SIW结构中紧靠两行金属通孔加入两行与其平行的磁性圆柱，形成新
结构SIW传输线，从而实现在相同直径下插入损耗和回波损耗的性能优于现有SIW结构，且驻波比VSWR和传播常数保持不变。

所述SIW传输线的设计方法中，SIW的经验公式为s=2.5d-0.360 1，新型传输线经验公式为d=1.133d2+0.04和
s2=5.618d2+0.713 6。

宽边宽度w则参考式（1）。

需要说明的是，此类SIW 传输线仅用于了X波段。

图5 本文S12参数仿真结果
图6 相同条件下现有SIW传输线的S12仿真结果
图7 本文S11参数仿真结果
图8 相同条件下现有SIW传输线的S11仿真结果
【相关文献】
[1] Xu F,Wu K.Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate integrated waveguide[J].Microwave and Wireless Components Letters IEEE,2002,53(01):66-73. [2] R.E.柯林.导波场论[M].上海:科学技术出版社,1966.Colin R E.Waveguide
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[3] Zhu L,Wu K.Unified Equivalent-circuit Model of Planar Discontinuities Suitable for Field Theory-based CAD and Optimizationof M(H)MIC’s[J].IEEE Trans. Microw.Theory Tech.,1999,47(09):1589-1602.。