1、南京邮电大学硕士学位论文基于基片集成波导的滤波器设计研究姓名：侯莹申请学位级别：硕士专业：电磁场与微波技术指导教师：程崇虎20090401摘 要基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)作为一种新的微波传输线结构，现已广泛地应用于各种微波、毫米波电路。其优点主要是体积小，损耗小，同时易于加工和集成。本文首先研究了基片集成波导的传输特性和微带基片集成波导转换结构的设计；接着对基片集成波导谐振腔进行了研究，并在此基础上提出了几种通过交叉耦合来实现传输零点的带通滤波器结构；最后又研究设计了几种基片集成波导结合开口谐振环(SRR)和电磁带隙结构(PBG)的宽带
2、、超宽带带通滤波器。在平面SIW腔体滤波器的基础上，根据准椭圆函数逼近的思想，通过不同的耦合相位关系模型和馈电形式来设计SIW交叉耦合滤波器的多种结构，实现了滤波器更好的频率选择特性。结合SRR-DGS结构的低通传输特性和SIW的高通特性，设计出新型宽带带通滤波器，通带范围为545GHz672GHz，相对带宽2l；研究新型的PBG结构，设计出基于PBG结构的单元和级连超宽带滤波器，通带范围为635GHz1335GHz，相对带宽约为724，突破了常规的波导滤波器设计思路，达到了尺寸减小，带宽较宽且带外抑制较理想的结果。通过实际加工和测量，证明了这种设计的可行性。关键词：基片集成波导，滤波器，交叉
3、耦合，传输零点，超宽带AbstractAs a new kind ofmicrowave transmission line，the Substrate Integrated Waveguide(SIW)is now be widely used in microwave and millimeter wave circuitIt borrows advantages of smallsize，low loss and easy to be integrated and processedIn this article，the substrate integratedwaveguide tra
4、nsmission characteristic and microstripSIW conversion structure design are firststudied；then the SIW resonant cavities are studied and on this basis propose several bandpassfilter structures which produced transmission ZerOS through crosscoupling；Finally,the SIWbroadband and ultra-wideband bandpass
5、filters which combined split ring resonators(SRR)andthe EBG structure(PBG)are researched and designedOn the basis of SIW cavity filter,several structures of SIW cross-coupling filter withtransmission ZerOS are designedThey are achieved through different coupling phase relationshipand different form
6、of feed based on the theory of elliptic function approximationA novel broadband band-pass filter is designed combined with the high-pass characteristicof SIW and low-pass characteristic of SRR-DGS，the band-pass frequency range is from545GHz to 672GHz，relative bandwidth is 2 1；Research a new type of
7、PBG structure anddesign unit and cascade ultra-wideband filters，relative bandwidth is 724It breakthrough theways of waveguide filterS conventional design and reach the better results of smaller size，wider bandwidth and better band rejectionIt is proved the feasibility of the design throughpractical
8、processing and measurementKey Words：SIW,Filter,Crosscoupling，Transmission zero，DGS，PBG，UWB南京邮电大学学位论文独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及所取得的研究成果。尽我所知，除去文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得南京邮电大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中做了明确的说明并表示了谢意。研究生签名：鏖堇 日期：壶逝生：j毕南京邮电大学学位论文使用授权声明南京
9、邮电大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。本人电子文档的内容和纸制论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布(包括刊登)论文的全部或部分内容。论文的公布(包括刊登)授权南京邮电大学研究生部办理。研究生签名：邀新签名：幺乏勃型嗍2逝笙匀南京邮IU人学硕上研究生学位论文 第一章绪论第一章绪论在本章中，我们将对基片集成波导的产生背景、结构特性、应用和发展状况作简要的讨论，然后介绍本论文的主要研究工作和结构安排。11基片集成波导的产生背景十九世纪六十年代，Maxwell(18311
10、879)在安培、奥斯特和法拉第等前人理论和实验的基础上，建立了著名的Maxwell方程组，奠定了电磁学的基础【1112131。在以后的一百多年里，电磁学理论日趋完善，从而使得电磁技术和微波技术在工程中得到了广泛的应用。到了今天，微波技术应用的领域已经涉及电视、卫星通信、无线电广播、移动通信、无线接入技术以及材料的无损探测、医疗检查和治疗等诸多方面，并逐渐应用于光纤通信和高速计算机开发当中，微波技术也成为当今国际的关键技术之一。随着现代微波毫米波电路系统的高速发展，其功能越来越复杂、电性能指标要求越来越高，同时要求其体积越来越小、重量越来越轻；整个系统迅速向小型化、轻量化、高可靠性、多功能性和低
11、成本方向发展。低成本、高性能、高成品率的微波毫米波技术对于开发商业化的低成本微波毫米波宽带系统非常关键。因此，迫切需要发展新的微波毫米波集成技术。在毫米波频段，电路功能模块包括天线之间通过电磁耦合和互连紧密相连，在这种情况下，电路模块的设计需要从整体上来考虑。到目前为止，设计高性能的毫米波系统所采用的主要还是经典的波导技术。但是这种比较成熟的技术并不适合于低成本、大批量的商业应用。这主要是因为利用这种技术在完成电路的加工以后，需要较昂贵的调整机构，同时需要复杂繁琐的调整工作来实现预期设计的电路功能。为了解决这一矛盾和困难，有学者提出了一种新型的设计平台，那就是基片集成矩形波导，即：直接将矩形波
12、导设计到微带平面中。它是通过在平面电路的介质层中，嵌入两列平行金属化孔构成的，这两排金属孔构成了波导的窄壁。这样一来，可以将诸如微带线、共面波导和矩形波导构筑在同一介质基片上，并且只需要一种结构简单的过渡段就可以达到两者的匹配。由于波导和微带共用同一介质基片，因而具有较高的集成度，而且具有轻重量、小体积、较高的功率容量和Q值。因此，这一概念己得到很广泛的应用，并且有很好的发展前景。内京岍lU学I岍究生学位隆立 第日结论12基片集成波导的发展现状和应用丝片集成波导(Substrate Integrated Wavegmide，SIW)技术是以加拿大蒙特利尔大学吴柯教授的课题组和东南大学毫米波国家
13、重点实验室洪伟教授的课题组为主所倡导的种新技术。它是一种可以集成丁介质基片L】的具有低捅损低辐射等特性的新的导波结构，它是通过在上下底而为余属层的低损耗介质基片P，利片j余属化通孔阵列而实现的，其目的是在介质基片卜实现传统的金属波导的功能。而且它的传播特性与矩形会属波导类似，所以由其构成的毫米波和亚毫米波部件及子系统具有高Q值、高功率容量、易集成等优点；同时由于整个结构完全为介质基片上的金属化通孔阵列所构成，所阻这种结构可以利用PCB或LTCC工艺精确的实现，并町与微带电路实现无隙集成；基片集成波导微波毫米波器件的加工成本十分低廉，不需任何事后调试工作，非常适合微波毫米波集成电路的设计和大批量
14、生产。近几年，在对基片集成波导结构传输特性充分研究的基础上，实现了高性能的滤波器、双工器、定向祸台器、功率分配器、天线阵列等以及多种有源器件，极大的推进了基片集成波导技术的发展。以下列毕其中几个例子。(一)滤波器利用基片集成波导可以构成很多种滤波器，相对于微带线构成的滤波器，由丁二基片集波导具有更高的Q值，所以在这个平台上形成的滤波器都具有更陡峭的带外抻制特性”。文献”中提出了一种由微带线和基片集成波导构成的椭圆函数滤波器，如图1 1所示：其巾连通第一、四个腔体的微带线作为一个90度的反相器，图1 2为其传输特性曲线，在通特内葭结构的插入损耗为2 6dg，反射大于】4dB；在阻带内，插入损耗大
15、于30dB，其陡峭的阻m衰减曲线正显示了丛片集成波导具有较高的0值。(一)定向耦台器我们电经常利用矩形波导柬构戚定向耦合器，同样，基片集成波导也可以做到这点。，!里型!垒兰堡业!塞生兰些兰兰 兰二主堕堡文献71提出r窄边定向耦合器，它是一种采用了普通波导中窄边缝隙耦合的概念，通过调整会属通孔间距和共面波导耦合段的尺寸实现功率分配；其结构如图1 3所示。最后通过实验测得窄边定向耦合器的耦合度为7dB，隔离度大于10dB，仿真结果如图14所示。阁1 3 目1 4(三)天线图1 5给出了 种基片集成波导滤波天线的结构嘲，它是在基片集成波导宽边上开一组辐射缝隙，使得能量通过这些缝隙向空间辐射，形成SI
16、W天线，同时在这些相邻槽之间具有基片集成波导感性窗，通过这些感性窗的调节，使得该天线的反射系数具有滤波器的特性。图1 5通过分析蕞片集成波导结构在微波毫米波的应用，我们可知作为种集平面结构和非平面结构优点于一身的新型导波结构，基片集成波导有着广泛的应用前景。通过进一步优化我们可以利用基片集成波导构造出更紧凑、更高效、更便宜的微波器件。13本论文的主要工作本文的内容是对作者读研期间所有工作的 个较为系统的总结以及在此基础上的创新。主要研究基片集成波导技术，包括结构，分析方法，传输特性，Ll及几种过渡转换；研宄SIW腔体理论及其在滤波器中的应用，并提出异面馈电形式的交叉耦合腔体滤波器；3南京邮电大
17、学7顶一L研究生学位论文 第一章绪论分别提出基于DGS的宽带带通滤波器和基于PBG结构的超宽带基片集成波导带通滤波器。文章分为以下几部分：第二章主要介绍了基片集成波导的基本结构，研究方法，等效方法，传输特性，着重研究了相邻金属柱间距变化对SIW中的回波损耗、插入损耗、传播常数等影响；SIW与微带传输线或其它平面电路间的几种共面过渡转换，包括直接过渡方式，渐进过渡方式，凹行过渡方式，并对这三种过渡结构进行设计和仿真比较，这在以后的应用中十分重要。第三章主要对基片集成波导谐振腔进行研究，包括SIW谐振腔尺寸、谐振频率、谐振器Q值，SIW互偶腔体，对单谐振腔体滤波器进行设计并仿真，最后对2腔体和4腔
18、体互偶滤波器进行设计并进行仿真和比较。第四章对SIW具有传输零点的交叉耦合腔体滤波器进行设计，主要研究了三腔和四腔的滤波器结构，并提出异面耦合馈电方式，最后对几种结构加以仿真和比较。第五章是SIW宽带和超宽带带通滤波器的设计和仿真。第一部分是研究DGS的低通特性，充分利用SIW的高通特性设计基于DGS和SIW的带通滤波器，通带范围为545GHz672GHz，相对带宽为21；第二部分是研究新型PBG结构的低通特性，并设计基于PBG结构的单个带通滤波器和级连超宽带滤波器，并对几种结构加以仿真。文章所有仿真都是通过电磁场仿真软件High Frequency StmctIlre Simulator(H
19、FSS)进行的仿真。4南京邮电大学硕十研究生学位论文 第二章基片集成波导传输特性的研究第二章基片集成波导传输特性的研究21 SIW基本结构和研究方法211 SIW基本结构X 乙8一 X-一口。_-。图21 SIW和矩形波导结构图21(a)为基片集成波导的基本结构。其上下表面为金属化层，在高度为h的介质基片上打两排金属通孔，相当于矩形波导的两个侧壁，这些通孔限制了电磁场在SIW中的传播。基片集成波导的宽度为w，金属通孔的直径为2*R，相邻通孔间距离为S。此外，利用多层印刷电路板(PCB)技术和低温共烧陶瓷(LTCC)技术也可以形成多层基片集成波导结构。这些结构和相应的传统矩形金属波导结构比较类似
20、。介质基片的上下金属面可以看成是相应矩形波导的上下波导壁，两排金属通孔构成了传统矩形金属波导的两个金属侧壁。当电磁波在两排金属通孔中传输时，它的传输特性和波在传统矩形金属波导中的传输特性相类似。212 SIW结构的分析方法分析基片集成波导的方法主要由全波分析法，等效模型分析方法和商业电磁软件仿真在盘寸o1全波分析法电磁场全波分析法是分析复杂结构电磁特性最准确的方法。全波分析方法种类很多，通常对一种特定结构，选择分析方法时必须考虑到各种综合因素。这是因为对于不同的结构，算法复杂度和所需计算时间相差很大，算法效率也各不相同。对与SIW结构来说，由于它由许多金属通孔紧密排列在一起，则对这些通孔进行剖
21、分后将得到非常多的未知数，S南京邮f乜大掌硕。J：研究生学位论文 第二币幂片集成波导传输特性的研究非常复杂，因此，对于一些特殊问题可以采用时域有限差分法或者频域有限差分法来解决，以降低复杂度，实现基片集成波导器件的快速设计。2等效模型法众所周知，在表征导波结构特性的所有参数中，衰减常数a和相位常数D是最重要的两个参数，这两个常数是我们研究和设计基片集成波导的基础。在基片集成波导结构中，由于侧壁是由金属通孔相隔一定距离排列所构成，所以衰减常数Gt主要由孔间的能量泄漏、介质损耗和金属损耗所构成。普通矩形金属波导结构如图21(b)所示。由于SIW具有和普通矩形波导相类似的传输特性，所以可在两者之间建
22、立相对应的关系，将对SIW器件的设计转化为传统的矩形金属波导器件的设计f9】【101，从而大大减少设计的时间和复杂度。SIW和传统矩形金属的对应关系可由下式来表达【11】： 万=螽+1r：(2J)2半尺 磊一缶其中， 点-10198+竽，岛=-01183YT 一产，一一10684 二一12010S S (22)磊=10082一产二+02152上式中万为等效矩形金属波导的归一化宽度，它的物理意义为基片集成波导的宽度和对应的有着相似性质的等效矩形波导的宽度之比。根据上面的式子，可以直接从基片集成波导的结构参数W、S、R推出等效的矩形金属波导的宽度。主要模式的特性可以从等效的矩形波导理论分析中得出。
23、3商业软件SIW器件设计中的应用由图1可以看出，基片集成波导器件对于电磁场仿真来说结构非常复杂。当在多层基片集成波导中通过开槽来形成器件，以及为了调节各种基片集成波导谐振腔之间的耦合而使用各种复杂形状的耦合结构时，如果用全波分析法来分析SIW结构及其器件的电磁场问题，这将是个复杂而庞大的工程，如用人工编程，很耗费时间，解决以上问题的一个比较好的办法是使用现有的商业仿真软件对结构进行仿真。目前可以用于微波高频全波分析的商业软件主要有：Advanced Design System(ADS)，High Frequency Structure Simulator6南京邮电大学硕上研究生学位论文 第-二
24、章基片集成波导传输特性的研究(HFSS)，CST Microwave Studio，Zeland IE3D等。本文主要采用HFSS和IE3D来进行结构的仿真。22 SIW的传输特性221 SIW等效宽度的计算SIW可以用矩形波导(假设宽度为，高为h)来等效，等效宽度介于w和(W-2木R)之间，受到S、R、W3个参数的共同影响，随着相邻的金属柱密度变大，辐射损耗的电磁波减少，更多的电磁波被限制在两排金属柱之间的区域传输，因此保证S足够小是SIW与矩形波导等效的前提。通常在保证j2*LR s2和号笋三8的情况下【12】=形一慧 (23)同时，学者Y cassivi指出，Te。和码。计算得到的差别小
25、，可以忽略。有了等效宽度，就可以对SIW的截止波长、截止频率、波导波长和传播常数等做一些比较研究。矩形波导中传输暖。模和TM。模(m=o，1，2，；n_0，1，2，)，其中，最为常用的是码。模。髓模和TM。模的传播常数为其中，k2=国2胪截止波长为：疋TEI。=屯呐。=尸=兰一一(詈)2+(争2对应的截止频率为：k=k 2壶挣睁则SIW的珥。和啦。模式的截止频率分别为2素旷铬】-l(24)(25)(26)(27)南京邮f乜火学硕：Ij研究生学位论文 第二章基片集成波导传输特性的研究k=老旷等一簪。1 晓8，其中，Co为自由空间中的波长。由上几个式子可以看出，SIW截止频率与介质基片的高度h无关
26、，主要取决于SIW的窗口宽度w，其他条件不变的情况下，对不同w值进行仿真，如图22，计算结果发现随着W的增大，截止频率有变小的趋势，反之，截止频率有变大趋势。图22 SIW截止频率随宽度W变化的曲线图222 电磁波在SIW中的传播模式I PV V(a)S I鬻表面电流分布 b)电磁波在S IW啐的传播图图23传播模式图SIW表面电流分布和电磁波在SIW中的传播模式如图23。SIW的两侧是由线性紧密排列的金属柱通过与介质基片上下金属面连接，形成有狭槽间隔的侧波导壁，从而形成了一种特殊的矩形波导结构【13】。在这种结构中，若电流沿着金属通孔在上下金属面之间(上下壁)流动，则狭槽不阻碍表面的电流分布
27、；若当表面电流沿侧壁方向流动时，狭槽阻断R南京邮电久学硕1：研究生学位论文 第二章基片集浅波导传输特性的研究了表面电流的流动，因此电磁波不能沿侧壁传播。以竭。模为例，其磁场分量有两个：0 a x图24如图24，在x=0的管壁上，磊=t，H：=爸zH、oeos(国tp苟(29)Z=瓦xz=瓦乏qocos(cotpz)=一己日locos(cot-pz) (210)在x=a的管壁上，己=毒圣一乏苎o COS一肛 (211)五=己Z=一瓦(一乏qo)cos(由ot-ffz)=一毛Hiocos(rotpz)即纵向磁场产生横向的高频表面电流，表面电流在侧壁沿着金属通孔方向流动，狭糟不阻断表面电流的流动，因
28、此，码。模能够在SIW中传输。同理，TEn。模(n1)感应的表面电流在侧壁具有与珥。模相似的流动方向，所以，TE。模均能在SIW中传输。对于TM及TEn(m0)模式，应用同样分析方法进行分析，有：横向磁场产生纵向的表面电流，即沿着侧壁方向，则狭槽阻断了表面电流的流动而造成大量的辐射，因此，TM及髓(m#0)模式不能在SIW中传播。223金属柱间距S对SIW传输特性的影响上一节中介绍了衬底集成波导(SIW)结构的侧壁是由不连续的金属柱排列而成的，这破坏了形成TM模的纵向电流，所以在SIW结构中只能存在嘱，模式。鉴于SIW的结构特点，金属柱间的周期性排列对电磁波的传播会造成一定的反射和能量泄露，因
29、此要很好地使用这种新型的传输线，研究金属柱间距对SIW传输特性的影响是有必要的。9口0邓蚴毒；v竺_伽n一口“墨口矿搭乩p触iqll=。皿一!皇-I!查兰!望堕!生堕兰 苎=!苎丛坐!型!堡塑!丛塑!塑山于SIW其有和普通矩形波导相类似的传输特性，可存两者之间建立相对府的关系。在实际的工程麻用中，婴求命属桂半径和它们之叫的IIJ】距满足：O 05“S(R(0 5S，或者满足S(U20。但是当SIW工作在高频段的时候，为了满足上述条件，婪求余属+l半径以及它们之问的问距很小，以至于加工非常困难在工程上良难实现，这限制了SIW在高频段的应用，所以研宄相邻盒属杠叫距变化对SIW中的回波损耗、插入损耗
30、、传播常数等影响在工程中很有意义。通过研究相邻两个余属柱问距的变化对SIW回波损耗和插损等参数的影响，寻找SIW在工程中应用时，其金属柱间距的可选范围，可以使SIW在工程上的应用更加灵活，减少介质扳上的通孔数量，从而最大程度地保持介质板的结构特性。_“t”霹i霪琴慧一图26结构图(一) 余属柱问距S对回波损耗和插入损耗的影响研究的结构如图26所示，该结构包含渐进过渡的微带转换形式。在工程中，金属柱的半径通常在o 2rmn至o 4nun范围内进行选取，下面讨论在三种不同金属柱半径情况下(R 0 25ram，g-0 3ram，R=0 4mm)，相邻金属柱间距变化对SIW回波损耗和插入损耗的影响。1
31、 R=o 25mm18 19 a 翌 24响(eH日酗27a不同间距S的同波损耗比较 酗2 7b不同问距S的插入损耗比较南京邮I也火学硕：研究生学位论文 第二章基J集成波导传输特性的研究2 R=03mm_、卫口_，r-r-力Freq图28a不同间距S的回波损耗比较3 R=04mm图28b不同间距S的插入损耗比较图29a不同间距S的回波损耗比较图 图29b不同间距S的插入损耗比较从上面几种不同情况下插入损耗和回波损耗的比较，我们可以看出，SIW中的插入损耗和回波损耗都没有明显变化，但间距S小的相对来说插入损耗和回波损耗比其他的更优。我们可以得出以下初步结论，相邻金属柱间距的选择范围应该在保证回波
32、损耗和插入损耗等参数都没有大的变化的前提下。为了便于在实际中的加工和应用，相邻金属柱间的距离可以适当的加大，经过大量仿真，初步认为金属间距S可以由sX20增大到S(k10左右，这并不影响最终结果。(二) 金属柱间距S对传播常数p的影响我们通过计算SIW的传播常数p，来进一步研究相邻金属柱间距变化对SIW传输特性的影响。可以通过公式(23)和(24)来计算SIW的传播常数。半径同样取三种不同的南京邮屯人学硕I：研究生学位论文 第二章笨片集成波导传输特性的研究情况(R=025mm，R=O3mm，R=O4ram)。1R=025mm2 R=O3mm3 R=04mmFreq(GHz)图210a不同相邻金
33、属柱间距的SIW的传播常数的比较，一、E专g、_， 吐Freq(GHz)图210b不同相邻金属柱间距的SIW的传播常数的比较E口田。口Freq(GHz)幽210c不同相邻金属柱间距的SIW的传橘常数的比较。!皇011!叁兰堕土!型竺兰竺笙兰 苎三芏芏丛墨些些壁苎丝壁堡塑!从上面对几种小同情况下SIW传播常数B的比较，我们可以看出，在选取的余届柱间距S不同的情况下，B部没有明显变化，而且S1W截止频率变化很小，这进一步说明丫，金属问距S可以适当增大，由S(v20增大到S(XIO左右，并不影响撮后结果。咀下设计中，为了便于工程上的实现，金属柱问的距离采用S=lmm。22 SIW转换器的设计微波器件
34、大部分是表面封装或者芯片彤式，在安装时需要共面电路结构的传输线(微带线或共面波导等)。而微带线和共面波导传输的是准TEM模式，这种模式与SIW中传播的7E。模不同图2 11为波导和微带线中的场分布。因此，基片集成波导和共面传输线的过渡问题即SIW微带转换器的设计，是推广这一技术的重要前提。基片集成波导一微带转换器的设计要求为：1)较宽的工作带宽；2)较容易加的结构；3)较小的插损。2嚣岳一：j：!：f：一a 渡导中的电场分布 b 徽带线中的电场分布二二-_ii一 1二二二二：j二L二二一c 波导中的磁场分布 d 微带线中的碰场分布图2 1l波导和微带线中的场分布本节主要介绍了共面结构的几种SI
35、W转换器，并对其散射参数进行仿真和比较。渐进过渡形式蚓212几寸示意I目渐进过渡结构的SIW转换器在上节己经出现如图26所示。它的主体为一段线性微带渐变线，这一段微带渐变线实现基片集成波导和50欧姆微带线之问的阻抗变换。陔结构13塑里!生兰!l：!兰兰篁堕兰 塑至型!兰J!堕!塑堂堡塑竺塑参数为：R=o 25ram，h=0 25mm，乒1mm，W-6mm，Wt-1 2州n，50欧姆微带线宽度为0 76ram，L_4mm，L卢3mm。图21 3为该转换结构的仿真曲线图。由图可以看到：在频段18 54GHz_23 5GHz内，叫波损耗在1 5dB以F，插损在一0 02dB以内，传输特陛良好，实现r
36、阻抗匹配。F req(GHz)目2t3渐进结构仿真曲线罔214取排孔转换器州2 15烈排孔转救器仿磐曲线刚2 14为采用取_f|=孔的渐变形式的转换器，其月的是防止波几勺泔露，仿真结果与单排孔的比较如斟2 15。由蚓ur见，由J-X20盱L结构进一步抑制了波的泄露，则在通带范隔内起回波损耗卫4、，捅损更优。其中，1干排孔仿真曲线2，为双排孔仿真曲线m京Hfb学顿l研宄生学位论空 第=章接生成波导传输堑壁!堕2直接过渡形式如图216所示，SIW直接和50欧姆微带线连接，其他尺寸不变，仿真曲线图217。圈216直接过渡结构图2 17直接过渡结构仿真曲线由图可看到，在频段1 83GHz20 6GH内
37、，回波损耗低于-1 5dB，频段范围低于渐变过渡的频段范闻。传输系数的好坏主要取决于SIW与50欧姆微带线的匹配程度。3凹形过渡该转换器将50欧姆微带线伸入SIW中，微带线用来将基片集成波导和微带电路无隙集成，此种结构可以通过调节馈电微带的长度来很好的实现SIW谐振腔体的激励与耦合-并用柬实现滤波器的设计。这种转换器的尺寸比较紧凑，结构简单。结构如图21 8所示。参数不变，仿真图如图2 19，阻抗匹配带宽不变，但带内传输特性不理想，需要进一步调整改善。图220给出了在20GHz时该转换器和基片集成波导中的电场分和结果，由该图,IVA看出通过该转换器电场实现了准TEM波和准TEl0波之阃的转换。
38、幽218凹形结构南京mIU#m I一究，学位论文 第幸拈“集成泼传输*宄圈219仿真曲线幽2 20电场分啷本论文的滤波器设计中就采用了这种激励方式，靠微带馈电来实现SIW腔体中双模式的激励与祸台，微带的位置、凹槽开口宽度及深度对谐振腔体模式的激励都会产t影响，但这种激励方式易于调节，比传统的矩形波导到矩形谐振腔的孔耦合，或SIW到SIW谐振腔体的感性窗口耦台都要易于实现。除此外，共面形式的转换结构还有凸形结构【1“，它是通过高低阻抗的匹配柬实现转换。对比以上几种转换结构及仿真结果，得出对SIW转换器的设计，要选择最优的转化结构以实现阻抗匹配，通过对比可知渐进形式的转换实现了比较良好的阻抗匹配。
39、当然，对具体问题要具体分析，选择最恰!j的结构并通过优化来达到设计目的。并17在通过对转换器结构仿真的同时，看到SIW其有和传统矩形余属波导相似的高通特性。24本章小结本章主要介绍了基片集成波导的基本结构研究方法，等效方法，传输特性，着重研究了柏邻会属柱州距变化对SIWp的同波损耗、捅入损耗、传播常数等影响以及SIW与微特传输线或其它、鲫乜路flJ的几种共面过渡转换，包括直接过键方式，渐进过渡方式，凹行过渡方式，并对这三种过渡结构进行设计和仿真比较。晰京娜iE上学硕_研究t学位论女 第i章基片集懂波导昔振腔的研理坦迷生第三章基片集成波导谐振腔的研究和设计谐振腔是带通滤波器中最关键的部分，在微波
40、领域已经得到广泛应用。谐振腔的好坏直接决定了滤波器性能的好坏。谐振腔昂重要的指标是谐振频率和品质因数Q。本章对8IW谐振腔的研究主要包括以下几部分：(1)SIW腔体与矩形波导的等效；(2)SIW谐振频率的计算：(3)SIW腔体品质因数的计算；(4)对SIW腔体滤波器的设计。31 SIW谐振腔尺寸和谐振频率的研究3 I1矩形波导谐振频率幽31矩形腔体 图3 2 sIW谐振腔矩形腔的几何形状如图3 1所示，它有两端短路、长度为d的矩形波导段组成。电场和磁场能量分别存储在腔内。矩形波导髓1舢或者删模的横向电场(t、E)可表示为丘(，弘z)=可，y)一+f臆。+一一P7k。式中可(y)是这个模式的横向
41、变化，和一是前向行波和反向行波的任意振幅次TE或TM模的传播常数是耻乒(等)2_(等)2(31)第mn(3 2)式中，女=面e和“足填充腔体介质的磁导率和介电常数。应jj z=0处Eto这个条件到式(3 1)p，得到A+=-A。f是条件Et=o在z：d处町导出公式巨(x，y，胪一t(x，y)A+2j sin几d=o (3 3)这只是非无效A+不为0的解，所咀产生在“南京邮电大学硕卜研究生学位论文 第三章皋片集成波导谐振腔的研究和设计尾。d=，z万，n=1，2，3， (34)这意味着在谐振频率处，腔的长度必须是半波导波长的整数倍。对于其他长度或者不是谐振频率的其他频率，不可能存在有效解。所以矩形
42、腔是以波导形式出现的短路112传输线谐振器。矩形腔谐振波数定义为=(争2+(等)2十呼)2 (35)这样当m，llP取不同值时，便可得到不同的TEm。和TM肌。模式，m，Il，P分别表示沿a，b，1分布的半驻波数。则瓯即和珊。肇模的谐振频率为2蔫=丽C(芋2+(争2+(争2 6，312 SIW谐振腔体与矩形谐振腔体尺寸的等效SIW谐振腔如图32所不，al为SrW谐振腔体的宽度，dl为腔体的长度。矩形谐振腔可以看成在矩形波导传输线线上相距半个波长的两个位置上加两个短路面构成，因而谐振腔体与波导传输线具有相同的场型，由此推导出SIW谐振腔体与S1W具有相同的宽度等效，第二章已得出，公式为 扯等口r
43、cctg(婴4a咖马4r万其中，a为RW的宽度，al为SIW两排孔之间的距离，r为SIW金属柱半径，W为相邻两个金属柱中心之间的距离。通常，对于SIW谐振腔等效的宽度采用下面的公式口耐：口卜二 (37)口2口卜095w LjJ而对于SIW谐振腔的长度通常采用和腔体宽度相同的等效方法，腔体的长度约为半波导波长的整数倍。通常采用下面的公式瑚一羔 (38)SIW谐振腔内传输主要模式为TEm。，则谐振腔的谐振频率为厶。e 2丽C (39)一般为了保证在一定宽度的频带内基片集成波导腔体内为单模工作，常取m=l，q=l。南京邮电人学硕卜研究生学位论文 第三章基片集成波导谐振腔的研究和设计同时还要说明一点，
44、在SIW腔体内只存在珏模式而不存在TM朋模式，这是因为SIW四周不连续的金属柱破坏了又和Y方向上壁电流产生的条件。32 SIW腔体谐振器Q值的研究和谐振频率一样，Q值【1 7】也是谐振腔体一个重要的参量，描述了谐振器选择性的优劣和能量损耗的大小。滤波电路的品质因数Q定义为在谐振频率下，平均储能和一个周期内的平均能量消耗之比。可以用公式表示为【17】咖蒜L=缈 (310)其中，为一个周期内的平均储能，为单位时间内的平均耗能，q为谐振频率。S1W腔体谐振器Q值的求解主要包括导体损耗和介质损耗两部分。321导体损耗对应的Q值首先设定腔体内的介质为无耗的。由于SIW谐振腔与RW谐振腔的内部场结构相同，
45、与图3。2的尺寸相对应，SIW内码叭模式的总场表达式为：E=岛sin等咖署 。 口l dI皿=二Z磬sin竺al cos里dl5 两H：!兰鱼cosn-xsinn-z2 忌“口1 口1 d1(311)在传统的矩形波导中，金属壁上表面电流的大小及分布均匀并服从正弦或者余弦函数分布，但是在SIW腔体中却是个复杂的问题，首先是表面电流在金属柱表面分布并不是均匀的，电流大小很难精确测定，而且表面电流大小是由金属柱半径大小、间隔以及谐振频率决定，所以其覆盖面积也是不确定因素。为解决以上问题，对于SIW谐振腔体，我们可以取金属柱中心点所在位置对应的磁场产生的电流为平均电流，在无漏波(W4R)的情况下，SI
46、W谐振腔四周的表面电流主要集中在腔体内部，可假设覆盖面积约为金属柱表面积的一半。示意图如图33。19南京邮I乜大学硕：L研究生学位论文 第三章基片集成波导谐振腔的研究和设计1首先求在yoz平面的导体损耗。图33P=譬(了n(x=o)12挑) 。z=Oy=O=鲁c器胁；n矧2捌=鲁(I丝。12 s1+I皿：12 s2+I也J2最)，(力=谚d1)其中S,-xRb(i=】n、表示金属内部表面积。R= 是谐振腔电壁表面阻抗的实部。(312)耿母I、金属枉甲，D息盯世刚电况刀干列电况，阅母l、筮属仕衣回积万，得到yoz干叫州哥体损耗。P=鲁cl皿cz=譬，12 s+l皿cz=号一矿，12 s2+I皿c
47、z=号一三形，12麓+d1+，12 s2+ltcz=号+三形，12 Sin=鲁器叶扣c争着驯2+扣c争云驯2， =鲁嚣叶和c暑耕+洳c三+暑耕，=鲁嚣叶2洳c云耕，则左右两侧的导体损耗为么朽=足丽万3E2Rb1+2水s(暑矧2 (32求前后两面的导体损耗由对偶关系，1dl-，lal，则得到南京邮电大学顶12-研究生学位论文 第三章基片集成波导谐振腔的研究和设计=足笔筹乎叶2和j=l I晤驯2“柳=尹al 3上下两面的导体损耗Pc上下=2足(，【1只(y=o)12+I皿(少=o)12蚴)R。旯2E2，al dl、=土-I一十)8772 、2dl 2口17其中叩=搀七=国厉小2，足=署，。为电导率
48、，为slw谐振腔谐振频率。则总的榻挥柏=fk下+左右+f磊后因此导体对应的Q值为Qc=警彤三眵跏=警毛2322介质损耗对应的Q值假设腔体壁为理想导体，腔内介质有耗，则在电介质中的功率损耗为B=妒胁=些芦奶=警=去323总的Q值总的Q值主要由导体损耗和介质损耗对应的Q值的总和。(317)(318)(319)(320)吲壶+护 2D实际上，一个谐振腔体总是要通过孔(缝)、环或探针等耦合机构与外界(负载)发生能量耦合。这样，由于外界负载的作用，不仅使腔的(固有)谐振频率发生了变化，而且还额外地增加了谐振腔的功率损耗，从而导致品质因数的下降。通常把考虑了外界负载作用情况下的腔体品质因数称为有载品质因数Q。若用W表示谐振器内总的储存能量，表示2lr!兰型：!尘i竺l!型兰兰竺堡兰 堡三里些墨坚些!塑堡坚塑塑蔓塑壁生谐振器本身的损耗功率。C表示外界负载的损耗功率-只表示一个周期内总的损耗功率，则g可写为壶3暑争2南+南2壶+西I c”z，q q 婢qQ0 Q其中，叶是l皆振角频率，Q0是同有品质冈数，Q=竺芋
