一种基片集成同轴线的尺寸设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种应用前景广泛的基片集成同轴线的尺寸设计方法，属于基片集成 同轴线技术领域。
【背景技术】
[0002] 二十世纪后期以来，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。但是在这一频段上，微带电路的缺点如损耗大、品质因 数低、辐射和泄露严重等，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、价格昂贵以及难以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 这种情况下，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] SICL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，由中心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 Electromagnetic 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，可以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，基片集成同轴线的辐射损耗更低，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，可以实现更小的电路面 积。这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，可以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，以及同轴线功能器件的设计方法可以快速移植到SICL 技术。然而，现有的基于SICL的微波器件的设计大多采用将SICL近似于带状线，即先用带 状线设计，再将其替换为SICL，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，本发明提出一种基片集成同轴线的尺寸 设计方法，找出SICL与传统传输线之间的等效形式，简化基于SICL的微波毫米波器件的设 计流程，提升设计效率。
[0006] 技术方案：一种基片集成同轴线的尺寸设计方法，基于传输线单位长度电容，获得 基片同轴线的特性阻抗与几何尺寸之间的关系式。通过对基片集成同轴线的传输单元进行 划分，并对传输单元内的传输线单位长度电容进行积分，并将其等效为与其传输特性相似 的矩形同轴线的在相同纵向长度内的单位长度电容。
[0007] 有益效果：本发明提出的基片集成同轴线的尺寸设计方法，基于SICL与矩形同轴 线相似的传输特性，通过等效SICL与矩形同轴线的单位长度电容，得出特定尺寸SICL的尺 寸，有效地简化了基于SICL的微波毫米波器件的设计流程。
【附图说明】
[0008] 图1为本发明中SICL结构的三维示意图；
[0009] 图2为本发明中SICL传输线单元的示意图；
[0010]图3为一段无穷小长度AX传输线的集总元件电路模型；
[0011]图4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。
[0012]
[0013]
【具体实施方式】
[0014] 下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这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。
[0015] 图1为SICL结构的三维示意图。由图可以看出，其结构由两侧排列的金属过孔1， 上下两层金属底板4,中心的金属导体信号线3,及分布于两层金属底板4间的双层介质材 料2组成。上下两层金属底板4之间的高度为h。可以看出，SICL传输线呈现周期性结构， 因此在分析其单位长度电容是可以用其周期重复的一个单元来等效分析。SICL与矩形同轴 线中都传输TEM模，具有相似的传输特性，因此可以通过将SICL等效为特定尺寸的矩形同 轴线，由此简化基于SICL的微波毫米波器件的设计流程。
[0016] 图2为SICL传输单元的俯剖面示意图。内导体宽度为^，两侧金属圆柱通孔间横 向间距为《 2，金属圆柱通孔之间的纵向间距为p，圆柱通孔的半径为r。如图所示，选定一个 金属圆柱的通孔的中心为原点0,以纵向为x轴，将内导体与金属圆柱通孔之间的距离设为 x的函数g(x)，可用下式表示
[0017]
【主权项】
1. 一种基片集成同轴线的尺寸设计方法，其特征在于：基于传输线单位长度电容，获 得基片同轴线的特性阻抗与几何尺寸之间的关系式；通过对基片集成同轴线的传输单元进 行划分，并对传输单元内的传输线单位长度电容进行积分，并将其等效为与其传输特性相 似的传输线线的在相同纵向长度内的单位长度电容。
2. 如权利要求1所述的基片集成同轴线的尺寸设计方法，其特征在于： (1) 将基片集成同轴线等效成多个相同传输线单元的级联，传输线单元建模成集总参 数电路； (2) 根据基片集成同轴线与矩形同轴线所传输电磁场的相似特性，将传输线单元内的 不同截面等效为矩形同轴线或带状线的级联，计算得到基片同轴线的平均单位长度电容与 几何尺寸之间的关系式； (3) 将基片集成同轴线的单元等效为与该单元具有相等单位长度电容的矩形同轴线， 获得等效矩形同轴线； (4) 计算等效矩形同轴线的单位长度电容，并代入基片同轴线平均单位长度电容与几 何尺寸之间的关系式，得出基片同轴线的几何尺寸。
3. 如权利要求2所述的基片集成同轴线的尺寸设计方法，其特征在于：所述等效矩形 同轴线，其中心信号线同基片集成同轴线的中心信号线宽度相同，其外导体高度与原基片 集成同轴线的高度相同。
4. 如权利要1所述的基片集成同轴线的尺寸设计方法，其特征在于：令基片集成同轴 线内导体宽度Sw1，两侧金属圆柱通孔间横向间距为W 2，金属圆柱通孔之间的纵向间距为 P，圆柱通孔的半径为r;选定一个金属圆柱的通孔的中心为原点0,以纵向为X轴，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SICL的周期性特性可知，可以单独在一 个单元，即0 < X < P的区域内对其特性进行分析；在SICL中截取X值为0 < X < p中任 意的横截面，若X彡r或X > p-r，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r < X < p-r，则该截面类似于传统的带状线。
5. 如权利要求4所述的基片集成同轴线的尺寸设计方法，其特征在于：若将SICL传输 线单元在X方向上细分，则其可以看成是多段无穷小的传输线的级联；SICL传输线单元在 0 < 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，即单位 电容在0 < X < P内的积分； SICL的内导体为一层扁平的金属，其厚度近似为0;内导体厚度为0的矩形同轴线的单 位长度电容随内导体与外导体即金属圆柱通孔之间的距离g(x)变化，并可以由下式给出：
其中ε为自由空间的介电常数；内导体厚度为〇的带状线的单位长度电容可以由下式 给出：
由此可得，SICL传输线单元在单元内的总电容为：
由于SICL与矩形同轴线相似的传输特性，因此可以将SICL等效为外导体高度以及内 导体宽度与其相同的矩形同轴线，并通过等效两者之间的单位长度电容的方式计算出等效 的矩形同轴线的外导体宽度；设待求解的矩形同轴线的外导体宽度为W 3，则W3可以由下式 给出：
SICL传输线的特性阻抗值可由下式给出：
其中，c代表真空中的光速，\为SICL传输线中介质材料的相对介电常数。
【专利摘要】本发明公开了一种基片集成同轴线的尺寸设计方法。该设计方法基于传输线单位长度电容，获得基片同轴线的特性阻抗与几何尺寸之间的关系式。通过对基片集成同轴线的传输单元进行划分，并对传输单元内的传输线单位长度电容进行积分，并将其等效为与其传输特性相似的矩形同轴线的在相同纵向长度内的单位长度电容。由此，可得出基片集成同轴线的等效尺寸公式。本发明提供的方法能根据所需的特性阻抗直接得出基片同轴线的几何尺寸。
【IPC分类】H01P3-06
【公开号】CN104538717
【申请号】CN201410782853
【发明人】王海明, 无奇, 余晨, 洪伟
【申请人】东南大学
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月16日