一种脊基片集成波导的设计方法与流程

本发明属于微波无源器件领域，具体涉及一种RSIW的设计方法。

背景技术：

基片集成波导(substrate integrated waveguide:SIW)是上世纪90年代提出的一种新型波导结构，其基本结构为在低损耗介质基板上下两面覆以金属铜，基板侧面加以金属化通孔阵列。SIW兼具有金属波导和微带线的优点，同时能通过现有的PCB或LTCC工艺来制作。因此，在微波、毫米波通信器件和系统的开发研究领域受到了越来越多的关注。

除了在各个领域研发SIW的应用，对SIW结构的研究也一直在进行。一方面，基片集成波导虽然能够代替金属波导应用于各种微波有源无源电路中，但是它并没有改善波导的带宽，因此在宽带微波毫米波系统中的应用受到限制。另一方面，基片集成波导相较于金属波导虽然横向宽度可以降低至ε_r^-1/2，但在一些应用中，希望可以将SIW的尺寸变得更小，更为紧凑。因此，衍生出了折叠基片集成波导(Substrate Integrated Folded Waveguide：SIFW)，中间的金属层使波导实现了折叠，在保持SIW的传输特性的同时，其横向尺寸约为SIW的1/2；半模基片集成波导(Half-mode Substrate Integrated Waveguide:HMSIW)，垂直切割后的SIW切面近似等效于垂直磁壁，在保持SIW的传输特性的同时，将尺寸减小为SIW的1/2；折叠半模基片集成波导(Folded Half-mode Substrate Integrated Waveguide:FHMSIW)结合了SIFW和HMSIW两种技术，进一步缩小了SIW的尺寸。

脊基片集成波导(Ridged Substrate Integrated Waveguide:RSIW)通过在SIW中加脊而构成。相对于SIW，它具有频带宽、等效阻抗低和同频率下尺寸小的优势，相比于SIW，在带宽和紧凑性两个方面都有提升。

2008年提出的一种脊基片集成波导(Ridged Substrate Integrated Waveguide:RSIW)通过在SIW纵向中心线嵌入周期性的非全高金属脊柱而构成，该RSIW带宽为4.9～13.39GHz，相对带宽92.84％，与不加脊的SIW相比带宽提高37％，此结构存在的问题是驻波比较大，通带内回波损耗仅小于-9dB；2009年提出的一种脊基片集成波导的改进结构通过在SIW纵向中心嵌入非全高金属脊柱，再在金属柱底部加入一条金属条带而构成，该RSIW工作在ku波段，带宽为6.8～25.0GHz，相对带宽为114.5％，此结构存在的问题是加工较为复杂。

技术实现要素：

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种RSIW。本发明RSIW可通过在SIW纵向中心线嵌入非全高长方体金属脊或在SIW结构中将该脊挖去并在露出的外表面覆上金属构成。长方体金属脊构成了中间电流的通路，对SIW驻波的影响较小，并且有效的将电场和磁场束缚在RSIW中央，降低了主模的截止频率和提高了次高模的截止频率，扩展了单模带宽。

本发明的技术方案如下：

一种RSIW，通过在SIW嵌入非全高长方体金属脊或在SIW结构中将该脊挖去并在露出的外表面覆上金属构成。其特征在于，所述长方体金属脊结构位于SIW纵向中心线上；所述的脊结构可以是双脊也可以是单脊；所述脊结构在脊宽度与SIW宽度和通孔直径之差的比值在0.15～0.35之间可获得最大带宽，即脊结构最优宽度与SIW宽度和通孔直径之差的比值在0.15～0.35之间；所述双脊结构RSIW的相对带宽BWF随着h/t的减小而增加，且在双脊宽度取最优值时满足函数关系式:

$BWF=(p1{\left(\frac{h}{t}\right)}^5+p2{\left(\frac{h}{t}\right)}^4+p3{\left(\frac{h}{t}\right)}^3+p4{\left(\frac{h}{t}\right)}^2+p5(\frac{h}{t})+p6)/(q+\frac{h}{t}),$

p＝[52.5,-167.9,229,-194.1,141.6,8.574],q＝0.04508，

其中t为基板厚度，h为两个脊之间距离；所述相对带宽由主模截止频率f₁和次高模截止频率f₂计算可得，计算公式为所述单脊结构RSIW的相对带宽BWF与h/t的函数关系基本与双脊结构一致，当h/t<0.2时存在一定的误差；所述脊结构在脊宽度取最优值时，主模和次高模的截止频率几乎以相同的量相对于中心频点减小和增加。

上述一种脊基片集成波导的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：利用基片集成波导和矩形波导的等效公式确定基片集成波导的宽度w，金属通孔直径d和孔间距p，根据现有板材厚度选定基板厚度t；

步骤2：在基片集成波导中构建长方体金属脊，确定采用单脊还是双脊结构；脊宽度为w2，取

步骤3：根据需要基片集成波导的主模截止频率f₁和次高模截止频率f₂计算可得相对带宽BWF，计算公式为

步骤4：利用步骤2中的脊宽度，根据相对带宽BWF与h/t的函数关系计算出脊高度t-h，得到满足带宽的RSIW；其中相对带宽BWF与h/t的函数关系为：

$BWF=(p1{\left(\frac{h}{t}\right)}^5+p2{\left(\frac{h}{t}\right)}^4+p3{\left(\frac{h}{t}\right)}^3+p4{\left(\frac{h}{t}\right)}^2+p5(\frac{h}{t})+p6)/(q+\frac{h}{t})$

其中[p1、p2、p3、p4、p5、p6]＝[52.5、-167.9、229、-194.1、141.6、8.574]，q＝0.04508，t为基板的厚度。

本发明的有益效果为：本发明通过在SIW纵向中心线嵌入非全高长方体金属脊或在SIW结构中将该脊挖去并在露出的外表面覆上金属构成RSIW。长方体金属脊构成了中间电流的通路，对驻波的影响较小，并且有效的将电场和磁场束缚在RSIW中央，当脊宽度选取最优值时几乎以相同的量降低了主模的截止频率和提高了次高模的截止频率，扩展了带宽。

附图说明

图1为实施例RSIW的结构图；

图1中:1为顶层金属，2为底层金属，3为介质基板，4为金属通孔，5为长方体金属脊；

图2为实施例RSIW相位常数与频率的关系图；

图3为实施例RSIW的S₁₁参数仿真结果；

图4为实施例RSIW的S₁₂参数仿真结果。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

一种RSIW，通过在SIW嵌入非全高长方体金属脊或在SIW结构中将该脊挖去并在露出的外表面覆上金属构成。其特征在于，所述长方体金属脊结构位于SIW纵向中心线上；所述的脊结构可以是双脊也可以是单脊；所述双脊结构在脊宽度与SIW宽度和通孔直径之差的比值在0.15～0.35之间可获得最大带宽，即双脊结构最优宽度与SIW宽度和通孔直径之差的比值在0.15～0.35之间；所述单脊结构最优宽度稍小于双脊结构；所述双脊结构RSIW的相对带宽BWF随着h/t的减小而增加，且在双脊宽度取最优值时满足函数关系式p＝[52.5,-167.9,229,-194.1,141.6,8.574],q＝0.04508，其中t为基片的厚度，t-h为脊的高度；所述相对带宽由主模截止频率f₁和次高模截止频率f₂计算可得，计算公式为所述单脊结构RSIW的相对带宽BWF与h/t的函数关系基本与双脊结构一致，当h/t<0.2时存在一定的误差；所述脊结构在脊宽度取最优值时，主模和次高模的截止频率几乎以相同的量相对于中心频点减小和增加。

实施例

一种X波段双脊结构倍频RSIW的设计方法，包括以下步骤：

步骤1：利用SIW和矩形波导的等效公式确定SIW宽度w＝16mm，金属通孔直径d＝0.8mm和孔间距p＝1.2mm，选择Teflon板材，基板厚度t＝0.508mm；

步骤2：在SIW中构建长方体金属双脊，脊宽度w2取即3.8mm；

步骤3：在HFSS中仿真确定最优脊宽度w2为4.5mm＝(0.296*(w-d))，根据相对带宽BWF与h/t的函数关系，要满足倍频即BWF＝100％，应取并在HFSS中验证；

由图2可知，实施例得到的RSIW截止频率f₁＝5.1250GHz，接近于10.2GHz的一半，f₂＝15.3749GHz接近于10.2GHz的1.5倍，由截止频率看单模带宽达到10.2499GHz，BWF＝100％。截止频率处RSIW的等效阻抗为无穷大，在实际应用中应尽量避开，由图3、4可知，本次实施例的可用频段为5.7-15.2GHz，带宽达到9.5GHz。