基片集成波导的研究与应用

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南京邮电大学硕士研究生学位论文
第一章 绪论
研究了此种新型的波导结构，他们发现周期性金属化通孔可以当做金属壁来使用。2000 年以 来，吴柯教授提出了基片集成波导SIW(Substrate Integrated Waveguide )的概念[7][8][9]，东南 大学洪伟教授等在SIW导波特性、不连续性、各种器件和微波系统方面做了深入的研究和实 验[10][11]，随后，基于SIW设计理念的大量的理论研究和器件被相继开发出来[12][13]。基片 集成波导是近些年来提出的一种高性能低损耗小型化的传输线，用周期性金属通孔代替传统 矩形波导的金属侧壁，其电磁波传播特性与传统的矩形波导类似并且可以在 PCB 板上或者 LTCC工艺实现，兼具有平面传输线和传统金属波导的优点，并且在电路连接上，可以与现在 的平面电路无缝的集成，众多的优点使得基片集成波导在微波毫米波电路领域成为未来电路 的发展趋势。 在微波毫米波电路系统的设计过程中，需要便宜和可靠的印刷电路以及其它平面封装技 术，基于PCB技术和LTCC技术设计出的微波器件和电路系统的性能，与材料的介电常数及损 耗角正切有密切的联系。在设计各种器件和电路之前，介质的介电常数和损耗角正切的测量 对器件的设计和制造尤为重要，介质损耗在微波毫米波段是不可忽略的一项重要指标。在过 去的几十年中，有大量的研究和设计有关于复介电常数和损耗角的测量方法，参看文献 [14][15][16][17][18]，在某些场合，而金属波导谐振法是最准确的测试测量方法，然而PCB板 及LTCC的测量方法则用传统的谐振法较难以实行， 而基于基片集成波导技术则很方便的将矩 形波导的优点带入到介电常数的测量当中，因而在要求不高的情况下，采用基片集成波导谐 振器的方法可以方便低成本的进行介质基板的特性测量。 近年来，无线通信特别是移动通信的迅猛发展，使得有限的频率资源日趋紧张，在频分 多址通信系统中为了避免系统干扰，射频前端需要性能优良的滤波器降低通带内的损耗和带 外信号的干扰。传统的腔体滤波器固然可以提供系统需要的高选择性，较低的插入损耗和高 品质因数，在对腔体滤波器体积要求比较低的场合，如雷达、通信基站等高功率的通信系统 中广泛采用。然而对系统的体积要求较高的场合，为了进一步减小滤波器的体积，通常用微 带线等平面传输线的方式实现滤波器的小型化。由于微带线等平面电路和器件较高的辐射损 耗，较低的品质因数，在微波毫米波频段上，微带滤波器还难以广泛应用，而基片集成波导 设计思路的出现，使得在高频段不但有利于实现电路和器件的小型化，又可达到所需的优异 的性能指标。在实现形式上，PCB 板上实现的 SIW 滤波器，如果所有腔体均在同一平面上， 体积依然偏大，而且多腔的耦合主要还停留在一维方向的耦合，不能有效的降低整个滤波器 的体积。而采用成熟的 LTCC 等多层工艺的封装技术，结合 SIW 的思路可以设计出的性能指 标可媲美接近腔体滤波器滤波器， 并且体积相对于微带平面半开放滤波器和基于 PCB 的 SIW 腔体滤波器更小。因此，基于 LTCC 的多层 SIW 的腔体滤波器的研究和设计有着很实际的意
1.1 基片集成波导技术背景及其简介
在近一百年的历史当中，微波技术有了突飞猛进的发展，特别是在二次世界大战的推动 下，极大的促进了微波技术的实用化和微波理论的系统化发展。微波应用已经涉及无线电广 播、卫星通信、移动通信以及材料的微波测量、医学检验和研究各个领域，在各种应用中， 导波结构的地位非常重要。早期第一代的微波系统主要采用金属波导和同轴线作为传导电磁 波和进行器件设计的基础。虽然金属波导器件有其固有的低损耗，高Q值，功率容量大、良 好的温度稳定性、牢固的机械结构等优点[1][2]，但是随着系统复杂度的提高和人们对小型化 的迫切需求，某些领域的电路逐渐不再采用波导和同轴线作为导波部件。从 1960 年开始出现 的平面微波电路标志着第二代微波电路的萌芽，成为近代微波电路的发展导向和基石，它们 是由微带元件、集总元件和微波固态器件等无源和有源微波元件组成，由于工艺的发展和有 源器件集成度的提高，越来越多的系统采用平面电路去构建整个系统[3]，因此除了特殊应用 场合外，大而笨重的波导和同轴线淡出人们的视野，取而代之的是带状线、微带线、共面波 导等平面传输线[4]，采用上述传输线不仅使得整个系统的设计十分紧凑，平面电路器件的安 装和焊接均很方便，这使得当今的通信系统体积大大降低，成本明显下降，加速了微波通信 系统的实用化和民用化过程。 随着社会的发展，人们对大容量高速度的通信的需求越来越大，较低频段的频谱已经非 常拥挤，高频微波频段有着极为丰富的频谱资源，但在这一频段，平面传输线也暴露出缺点， 微带电路和早期的带状线电路不再作为首选电路，因为微带平面电路半开放的电磁场结构， 容易出现干扰模式，电磁波的泄露和辐射比较严重，由平面传输线构成的器件插入损耗大， Q 值较低，不适合做高频微波电路。在电磁波的高频段，平面传输线构成的器件和连接电路 已经部分不适用，迫切的需要一种适合高频微波电路并且损耗小 Q 值高的微波毫米波集成技 术。 1992 年，最早由一位日本学者H.Furuyama提出栅格波导的结构和概念，1998 年，为了将波 导的优良导波特性应用到小型化的微波电路中，Hirokawa[5]和Uchimura[6]分别提出并系统的
Key words: SIW, Microstrip to SIW Transition, Microwave test
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南京邮电大学学位论文原创性声明
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取得 的研究成果。尽我所知，除了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 任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。
南京邮电大学 硕士学位论文 基片集成波导的研究与应用 姓名：王哲 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：秦卫平 2011-03
南京邮电大学硕士研究生学位论文
摘要
Hale Waihona Puke 摘 要基片集成波导（SIW）是最近十年来出现的低插入损耗，高品质因数，高功率容量的 一种新型波导器件，基于 PCB 和 LTCC 等工艺实现的各种 SIW 无源及有源器件兼具有传 统金属波导和平面电路的优点， 且生产成本和设计复杂度在微波毫米波频段具有无可比 拟的优势。 本文的主要内容是基于基片集成波导谐振法的复介电常数测量和基于 LTCC 多层工艺 的腔体滤波器的设计。 本文第一章介绍了基片集成波导的产生背景以及近年来国际上关于基片集成波导的 发展趋势与应用领域，并对文章的主要内容做以总体叙述。为了解决基片集成波导器件与 外围电路的连接测试问题，第二章在阐述常用的几种基片集成波导的转换结构和性能参数 并确定本文使用的耦合方式和馈电结构的基础上，详细论述了基于基片集成波导的介电常 数的谐振法测量。首先介绍了传统的介电常数的测量测试方法和各自方法的优缺点，然后 结合基片集成波导技术，提出了一种新的采用谐振法的测试模型，并对其性能和测试准确 度进行了一系列的仿真实验。第三章则对基于基片集成波导技术和 LTCC 多层工艺的微波 滤波器，进行了一些有益的设计与仿真。将经典的腔体滤波器用多层基片集成波导的思路 进行实现，并且采用 LTCC 工艺，更有利于将其与其他有源器件无缝的融合在整个电路板 上。
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关键词：基片集成波导，微带-基片集成波导转换器，微波测量
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Abstract
Abstract
Substrate Integrated Waveguide (SIW) is appeared over the past decade, low insertion loss, high quality factor, high power capacity of a new type of waveguide devices, A variety of SIW passive and active devices based on PCB and LTCC technology has the advantages of traditional metal waveguide and planar circuit. Production costs and design complexity in the microwave and millimeter wave band have an unparalleled advantage. The main content in this paper is measurement of complex permittivity based on substrate integrated waveguide resonant method and multilayer LTCC technology-based cavity filter design. The first chapter of the paper describes SIW's background, recent trends and applications at the international level. Then make a general description about the main contents of article. In order to solve the problem of connections between substrate integrated waveguide devices and other circuit and for the convenience of the test, the second chapter firstly introduced several commonly used conversion SIW structure and performance parameters, determined the coupling and feed structure in this paper. Secondly discussed resonance measurement in detail based on the dielectric constant of SIW. Then describes the measurement of the dielectric constant of traditional testing methods and their advantages and disadvantages, combined the SIW technology, proposed a new test model using resonance method, for its performance and test accuracy, a series of simulation experiments will be done. In the third chapter, some useful design and simulation will be made for microwave filters based on Substrate integrated waveguide technology and LTCC multilayer technology. If realize the classical multi-cavity filter with the idea of SIW, using LTCC technology, it will be more beneficial to its seamless integration of other active devices in the circuit board.