一种双层介质的基片集成同轴线的尺寸设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种应用前景广泛的基片集成同轴线的尺寸设计方法，通过将双层介 质的SI化等效成传统传输线，进而得出双层介质的SI化的尺寸，属于微波毫米波技术领域。
【背景技术】
[0002] 二十世纪后期W来，随着新型材料技术和集成电路工艺的发展，使得微波毫米波 频段有源固态电路的实现成为可能。但是在运一频段上，微带电路的缺点如损耗大、品质因 数低、福射和泄露严重等，变的越来越明显，而传统金属波导元器件带来的体积大、加工困 难、价格昂贵W及难W与平面电路相集成等问题也制约了其在高频电路设计中的应用。在 运种情况下，基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW)和基片集成同轴线 (Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)技术应运而生。
[0003] SI化是一种基于多层介质基片工艺的新型导波结构，在结构上与传统的矩形同轴 线很相似，由中屯、内导体与外层的屏蔽导体壳共同组成。与同轴线一样，基片集成同轴线也 属于非色散性导波结构，其传输主模式是横电磁波（Transverse Electroma即etic Mode, TEM)，工作频率与截面尺寸不相关，特性阻抗只与内外导体的尺寸之比相关。
[0004] 由于采用标准印刷电路板(Print Circuit Board,PCB)工艺加工，因此SICL具有 普通同轴线无法比拟的平面集成性，可W很容易地集成于平面电路系统。与微带线相比，由 于具有相对完整的封闭壳，基片集成同轴线的福射损耗更低，不容易与其他电路形成相互 干扰。同时由于其完全由介质基片填充，有着更高的等效介电常数，可W实现更小的电路面 积。运些显著的优势使得基片集成同轴线很适合应用于现代微波毫米波电路，尤其是在较 低频的微波频段和宽带应用，可W最大程度发挥其小型化集成化和无色散优势。同时，传统 的平面传输线如带状线和微带线，W及同轴线功能器件的设计方法可W快速移植到SI化技 术。然而，现有的基于SI化的微波器件的设计大多采用将SI化近似于带状线，即先用带状线 设计，再将其替换为SKL，最后利用全波仿真软件进行仿真优化参数，步骤较为繁琐，设计 效率较低。
【发明内容】
[0005] 发明目的：针对现有技术中存在的问题与不足，本发明提供一种双层介质的基片 集成同轴线的尺寸设计方法，设计出一种双层介质的SI化与传统传输线之间的等效形式， 简化基于SI化的微波毫米波器件的设计流程，提升设计效率。
[0006] 技术方案:一种双层介质的基片集成同轴线的尺寸设计方法，所述双层介质为不 同介电常数的双层介质，基于不同介电常数的双层介质的SI化与矩形同轴线相似的传输特 性，通过等效双层介质的SI化与矩形同轴线的单位长度电容，并根据双层矩形同轴线和带 状线电场分布，分别计算双层矩形同轴线和带状线的单位长度电容的近似表达式，进而得 出特定尺寸该双层介质SI化的尺寸。
[0007] 具体步骤为：
[0008] 1)将双层基片集成同轴线等效成为许多相同单元的级联；
[0009] 2)根据双层基片集成波导与矩形同轴线所传输的电磁场分布相似的特性，将传输 线单元等效为带状线和矩形同轴线的级联；
[0010] 3)分别计算出双层介质基片集成同轴线单位长度的电容和矩形同轴线单位长度 的电容表达式；
[0011] 4)将双层基片集成同轴线等效为具有相同单位长度电容的矩形同轴线，从而得出 该等效矩形同轴线宽度的表达式。
[0012] 所述基片集成同轴线上线两层介质介电常数不同，厚度相同。其中屯、导体宽度同 基片集成同轴线的中屯、信号线宽度相同，厚度趋向于零，其外导体高度与原基片集成同轴 线的高度相同。
[0013] 有益效果：与现有技术相比，本发明提供的双层介质的基片集成同轴线的尺寸设 计方法，将双层介质的SI化等效成传统传输线，有效地简化了基于SI化的微波毫米波器件 的设计流程。
【附图说明】
[0014] 图1为本发明中双层介质的SI化结构的Ξ维示意图；
[0015] 图2为本发明中双层介质的SI化传输线单元的示意图；
[0016] 图3为一段无穷小长度Δ X传输线的集总元件电路模型；
[0017] 图4为矩形同轴线纵向切面的电场分布图；
[0018] 图5为本发明中通过仿真手段检测等效公式的精度的模型示意图；
[0019] 图6为在一组参数组合下两公式的回波损耗比较图；
[0020] 图7为在另一组参数组合下两公式的回波损耗比较图。
【具体实施方式】
[0021] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解运些实施例仅用于说明本发明 而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价 形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围。
[0022] 图1为SI化结构的Ξ维示意图。由图可W看出，其结构由两侧排列的金属过孔1，上 下两层金属地板4,中屯、的金属导体信号线3,及分布于金属地间的介电常数不同的两层介 质基片2组成。上下金属地板4之间的高度为h，两层介质基片2的厚度均为h/2。可W看出， SI化传输线呈现周期性结构，因此在分析其单位长度电容是可W用其周期重复的一个单元 来等效分析。SICL与矩形同轴线具有相似的传输特性，都传输TEM模并且纵向截面电场分布 相似，因此可W通过将双层介质的SI化等效为特定尺寸的矩形同轴线，由此简化基于SI化 的微波毫米波器件的设计流程。
[0023] 图2为SI化传输单元的俯剖面示意图。内导体宽度为Win,两侧金属过孔1的圆柱通 孔中屯、间横向间距为Wnut，相邻金属圆柱通孔之间的纵向间距为P(即两个圆柱通孔圆屯、之 间的距离为P)，圆柱通孔的直径为D。如图所示，选定一个金属圆柱的通孔的中屯、为原点0， 运个中屯、指的是SI化两排金属通孔横截面(运里的横截面是指中屯、导体所在的横截面，即 金属通孔的中屯、位置）圆屯、，W纵向为X轴，运里参数X是指如图2所示距离中屯、0点的距离。 将内导体与金属圆柱通孔之间的距离设为X的函数g(x)。由SI化的周期性特性可知，可w单 独在一个单元，即〇<χ含P的区域内对其特性进行分析。在SKL中截取X值为0<x含P中任意 的横截面，若x^D/2或x>p-D/2,则该截面为一矩形截面，其形状类似于传统的矩形同轴 线。若其0/^2 <X ^ P-D/2，则该截面类似于传统的带状线。
[0024] 若将SI化传输线单元在X方向上细分，则其可W看成是多段无穷小的传输线的级 联。图3为传输线的集总元件电路模型。其中R，^G，C为单位长度的量，定义如下：
[0025] R表示两导体单位长度的串联电阻；
[0026] L表示两导体单位长度的串联电感；
[0027] G表示单位长度的并联电导；
[0028] C表示单位长度的并联电容。
[0029] 在很多实际情况中，传输线的损耗很小，因此可W令R = G = 0,将该模型简化为仅 包括串联电感和并联电容的模型。由传输线理论可得，该SI化传输线单元在0含x<p内的总 等效并联电容即相当于其在X方向上细分后在每段上的电容之和，即若X含D/2或x>p-D/2 内矩形同轴线电容和D/^2<x < 口-0/2内带状线电容之和。
[0030] 图4双层介质的矩形同轴线纵向切面的电场分布图。其电容分为Ξ部分：
[0031] ④中屯、导体和与其平行的矩形同轴线水平导体壁之间的电容Ci、C2;
[0032] ⑤矩形同轴线外导体垂直壁所产生的边缘电容C3;
[0033] ⑥中屯、内导体边缘同外导体水平壁产生的杂散电容C4、C5。
[0034] 由于中屯、内导体厚度近似为零，故第Ξ部分由中屯、内导体边缘同外导体水平壁产 生的杂散电容C4、Cs可W忽略不计。中屯、导体和与其平