阅读说明：本技术 基于siw的太赫兹传输结构及其制备方法和应用 (Terahertz transmission structure based on SIW (substrate integrated waveguide) and preparation method and application thereof ) 是由 丁丽 李萍 朱亦鸣 熊毓俊 鲍佳宸 于 2020-05-07 设计创作，主要内容包括：本发明提出了基于SIW的太赫兹传输结构及其制备方法和应用,该结构包括第一传输线、第二传输线和耦合传输线,第一传输线和第二传输线包括介质基片、设置于第一传输线介质基片下表面的金属镀铜层、第二传输线介质基片上表面的金属铜镀层、第一传输线介质基片上表面带有耦合窗开口的金属铜镀层和第二传输线介质基片下表面带有耦合窗开口的金属铜镀层；第一传输线和耦合传输线垂直,耦合传输线与第二传输线垂直；介质基片上设置两排平行的金属通孔贯穿介质基片与上下表面形成基片集成波导结构。本发明传输结构在转接处用基片集成波导替代了传统金属波导,避免了垂直转接处高次模的形成,完成了有垂直距离差太赫兹波等效波导口的创造。(The invention provides a terahertz transmission structure based on SIW (substrate integrated waveguide), a preparation method and application thereof, wherein the structure comprises a first transmission line, a second transmission line and a coupling transmission line, wherein the first transmission line and the second transmission line comprise dielectric substrates, metal copper plating layers arranged on the lower surfaces of the dielectric substrates of the first transmission line, metal copper plating layers on the upper surfaces of the dielectric substrates of the second transmission line, metal copper plating layers with coupling window openings on the upper surfaces of the dielectric substrates of the first transmission line and metal copper plating layers with coupling window openings on the lower surfaces of the dielectric substrates of the second transmission line; the first transmission line is vertical to the coupling transmission line, and the coupling transmission line is vertical to the second transmission line; two rows of parallel metal through holes are arranged on the dielectric substrate and penetrate through the dielectric substrate and the upper surface and the lower surface to form a substrate integrated waveguide structure. The transmission structure of the invention replaces the traditional metal waveguide with the substrate integrated waveguide at the switching position, avoids the formation of a higher-order mode at the vertical switching position and completes the creation of a terahertz wave equivalent waveguide port with vertical distance difference.)

基于SIW的太赫兹传输结构及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及微波、传输线和同轴耦合领域，尤其涉及基于SIW的太赫兹传输结构及其制备方法和应用。

背景技术

近年来，太赫兹传输线技术的研究得到了很大的发展。继传统波导之后，相继出现了带状线、微带线、槽线等微带型结构。以上几种传输线具有各自的优点和缺陷。传统波导传输功率大，传输性能好，损耗小，但是体积比较大，难以和其他元器件集成；而微带型结构体积较小，易于集成，但是损耗较大。

基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide.SIW)是一种可集成于介质基片中的新型传输线结构，因为其特性传输性能稳定和兼容性好被用在越来越高的频段。SIW通常是在介质基板上打两排金属通孔，再在基板两面覆以金属得到的。在保证传输线上能量***露的情况下，将通孔阵列等效为金属壁，传输特性则可近似矩形波导分析。SIW结构具有传统波导和微带型结构传输线的优点，即具有低辐射、低插损、高Q值、小型化、易集成等优点，且可将无源器件、有源器件和天线等通信器件集成在同一衬底上。然而，传统结构的SIW无法满足端口不在同一平面的器件的集成。

发明内容

本发明旨在针对单站成像系统发射和接收模块固有物理尺寸造成方位向物理间隔的条件限制，提供基于SIW的太赫兹传输结构及其制备方法和应用，其实现了端口不在同一平面的器件的连接，在有效带宽内具备良好的传输性能。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：基于SIW的太赫兹传输结构，其包括SIW传输结构(1)，所述SIW传输结构(1)包括第一传输线(2)、第二传输线(3)和耦合传输线(4)；

所述第一传输线(2)和耦合传输线(4)垂直；

所述耦合传输线(4)与第二传输线(3)垂直；

所述SIW传输结构(1)呈阶梯状。

进一步，第一传输线介质基片末端通过平行通孔形成扩大场区域，从而创建E面探针的耦合窗与耦合传输线连接；

所述耦合传输线另一端与第二传输线介质基片的耦合窗连接。

基于SIW的太赫兹传输结构的制备方法，其包括如下步骤：

步骤1，根据WR-4.3波段基片集成波导宽度W与矩形波导宽度W_eff之间的等效关系得到第一传输线、第二传输线与耦合传输线谐振的中心频率f₀，金属通孔的直径d，相邻金属通孔圆心的距离s；

步骤2，根据步骤1等效公式的SIW设计原则和消除电磁阻带效应参数条件限制，分别对步骤1得到的d、s、w参数进行参数扫描，进一步优化第一、第二、耦合传输线的尺寸；

步骤3：将步骤2得到的优化尺寸后的第一传输线、第二传输线、耦合传输线构建为阶梯状结构，其中第一传输线与耦合传输线垂直，耦合传输线与第二传输线垂直；然后在第一传输线和第二传输线末端通过改变金属通孔布局设置扩大场范围，对扩大场范围长度和宽度进行参数扫描，保证在不产生高次模和电磁泄漏的情况下有最大的电场强度值和回波损耗；

步骤4：在步骤3得到的优化尺寸后的SIW传输线末端扩大场范围内设置与耦合传输线连接进行波导耦合和模式转换的结构—耦合窗，通过对耦合窗尺寸参数扫描，确定结构各部分的精确尺寸，完成整体SIW传输结构的构建。

基于SIW的太赫兹传输结构作为连接端口应用于不同水平面上的太赫兹器件的连接和太赫兹波的长距离低损耗传输与转接。

与现有技术相比，本发明的优点为：本发明通过将第一传输线、第二传输线和耦合传输线这三段基本传输线建立为阶梯状结构，实现了端口不在同一平面的器件的连接，消除单站成像系统中因器件固有尺寸产生的波导口方位向垂直距离差，完成了THz波45mm的低损耗传输，且耦合传输性能在WR-4.3波段有20％的相对带宽。

附图说明

图1为本发明实施例中基于SIW的太赫兹传输结构的第一传输线、第二传输线的俯视图。

图2为本发明实施例中基于SIW的太赫兹传输结构图，其中，(a)为基于SIW的太赫兹传输结构示意简图，(b)为基于SIW的太赫兹传输结构整体示意图。

图3为本发明中耦合传输线所创造的太赫兹波长距离传输结构示意图。

图4为本发明实施例中基于SIW的太赫兹传输结构在WR-4.3波段内S11参数的仿真结果。

图5为本发明实施例中基于SIW的太赫兹传输结构在WR-4.3波段内S21参数的仿真结果。

图6为本发明实施例中基于SIW的太赫兹传输结构的VSWR曲线。

图7为本发明实施例中基于SIW的太赫兹传输结构的传播常数。

图8为本发明实施例中基于SIW的太赫兹传输结构的衰减常数。

图9为本发明中耦合传输线内太赫兹波传输所形成的电场分布图。

图10为本发明实际应用的同等比例场景图。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。

本发明提供的基于SIW的太赫兹传输结构1由三段基本传输线组成，分别为第一传输线2、第二传输线3和耦合传输线4，第一传输线和第二传输线的俯视图如图1所示，所述第一传输线2和第二传输线3包括介质基片5、设置于第一传输线介质基片下表面和第二传输线介质基片上表面的金属铜镀层(第一传输线介质基片下表面的金属铜镀层界定为第一金属铜镀层6，第二传输线介质基片上表面的金属铜镀层界定为第二金属铜镀层7)和第一传输线介质基片上表面和第二传输线介质基片下表面带有耦合窗8开口的金属铜镀层(第一传输线介质基片上表面带有耦合窗开口的金属铜镀层界定为第三金属铜镀层9，第二传输线介质基片下表面带有耦合窗开口的金属铜镀层界定为第四金属铜镀层10)。所述第一传输线和耦合传输线垂直，耦合传输线与第二传输线垂直，形成阶梯结构；介质基片上设置两排平行的金属通孔11贯穿介质基片与上下表面形成基片集成波导结构。通过调整第一传输线、第二传输线结构参数，以及耦合传输线的长度和耦合窗尺寸，即可改变整个SIW传输结构的传输性能。

在图2中可以看出，基于SIW的太赫兹传输结构包括第一传输线2、第二传输线3和耦合传输线4，所述第一传输线和第二传输线包括介质基片(5)、设置于第一传输线介质基片下表面的第一金属镀铜层6、第二传输线介质基片上表面的第二金属铜镀层7、第一传输线介质基片上表面带有耦合窗8开口的第三金属铜镀层9和第二传输线介质基片下表面带有耦合窗开口的第四金属铜镀层10；所述第一传输线和耦合传输线垂直，耦合传输线与第二传输线垂直；介质基片上设置两排平行的金属通孔11贯穿介质基片与上下表面形成基片集成波导结构。本发明传输结构在转接处用基片集成波导替代了传统金属波导，避免了垂直转接处高次模的形成，完成了有垂直距离差太赫兹波等效波导口的创造。

实施例1：

一种中心频率位于WR-4.3波段内的SIW传输结构(基于SIW的太赫兹传输结构)，包括第一传输线、第二传输线和耦合传输线，所述第一传输线和耦合传输线垂直，耦合传输线与第二传输线垂直，整体结构呈阶梯型。介质基片上设置两排平行的金属通孔贯穿介质基片与上下表面形成基片集成波导结构，在第一传输线与第二传输线末端通过改变金属通孔布局设置扩大场区域并在扩大场区域内设置耦合窗进行第一传输线、第二传输线与耦合传输线的连接与波导的同轴耦合。

上述WR-4.3波段SIW传输结构的设计过程为(参见图3-9)：

步骤1：根据WR-4.3波段基片集成波导宽度W(两排平行金属通孔的距离)与矩形波导宽度W_eff之间的等效关系 得到第一传输线、第二传输线与耦合传输线谐振的中心频率f₀，金属通孔的直径d，相邻金属通孔圆心的距离s。如图1所示，基片集成波导的介质基板所使用材料的相对介电常数为2.2，损耗正切值为0.0013，厚度t＝0.254mm；初始值设置d为0.07mm，s为0.12mm，计算得到的w为1.1mm。

步骤2：分别对步骤1得到的d、s、w参数进行参数扫描，以较小参数扫描间隔，每个参数值±20％为扫描范围，从而确定满足三段基本传输线尺寸的最优值；具体地，d的参数扫描范围选择为从0.056mm到0.084mm，扫描间隔为0.002mm；s的参数扫描范围选择从0.096mm到0.144mm，扫描间隔为0.006mm；w的参数扫描范围选择从0.98mm到1.32mm，扫描间隔为0.02mm；对以上结果进行筛选：为了使高次模介质频率大于标准波导，则w-d≤1.02mm，并且由于传输线的传输性能需要S11参数小于-10dB；综上可得到d＝0.06mm，s＝0.09mm，w＝1.08mm。

步骤3：将步骤2得到的优化尺寸后的第一传输线、第二传输线、耦合传输线构建为阶梯状结构，其中第一传输线与耦合传输线垂直，第二传输线与耦合传输线垂直；其中，第一传输线与第二传输线的长度均为s×(n-1)，调节第一传输线与第二传输线的长度，对n进行参数扫描得到符合要求的最优值；将n的参数扫描范围设置为从19到26，扫描间隔为1，对以上结果进行筛选；由于本发明SIW传输线性能需要S11参数小于-10dB；综上，选择n＝23。

步骤4：在步骤3得到的优化尺寸后的第一传输线、第二传输线末端加长介质基片以扩大场范围，保持d、s参数值不变；其中，扩大场区域的面积为(n₁×s+d)×(n₂×s+d),调节扩大场区域的面积，对n₁与n₂值进行参数扫描，使扩大场区域的电场强度值得到符合要求的最优值；将n₁的参数扫描范围设置为从14到20，将n₂的参数扫描范围设置为从8到14，扫描间隔为1，对以上结果进行筛选；由于本发明SIW传输结构扩大场区域所需要尽可能大的电场强度值，所以选择n₁＝17，n₂＝11。

步骤5：在步骤4得到的优化尺寸后的扩大场区域内的第一传输线上表面金属铜镀层和第二传输线下表面铜镀层上开口设置耦合窗，耦合窗尺寸大小不能超过介质基片上的扩大场区域；其中，耦合窗的面积为a×b，a为耦合窗的宽边长，b为耦合窗的窄边长，耦合窗宽边边缘与波导连接端口的距离为c；调节耦合窗的面积，对a、b、c进行参数扫描，使耦合窗的***损耗值得到符合要求的最优值；将a的参数扫描范围设置为从1.04mm到1.15mm，扫描间隔为0.005mm；将b的参数扫描范围设置为从0.54mm到0.67mm，扫描间隔为0.005mm；将c的扫描范围设置为从2.04mm到2.32mm，扫描间隔为0.02mm；由于耦合窗的性能直接决定了整个SIW传输结构的传输性能，由于本发明SIW传输结构性能需要在WR-4.3波段有20％以上的相对带宽，在完成对单频点优化后选择尽可能大的可用带宽，所以选择a＝1.09mm，b＝0.63mm，c＝2.084mm。

步骤6：SIW传输结构中第一传输线中金属通孔个数n＝85，第二传输线中金属通孔个数为n’＝85，为保证加工的冗余空间，第一传输线选择长度L＝3mm，介质基片宽度W_d＝1.6mm，第二传输线选择长度L’＝3mm,介质基片宽度W_d’＝1.6mm，为保证太赫兹波的长距离传输并且降低发明成本，耦合传输线选择传统金属波导，传统金属波导长度h＝45mm。因此，整个SIW传输结构的可完成单站成像系统方位向垂直距离45+0.254×2＝45.508mm的物理间隔消除。

由附图结果可知，本发明SIW传输结构的表征回波损耗的S11参数在WR-4.3波段内有小于-10dB的超过40GHz连续带宽，并且在可用带宽内表征***损耗的S21参数大于0.75dB，端口驻波系数小于1.47，传播常数大于4674.3，衰减常数小于5.92，并且使太赫兹波能够在结构内低损耗传播超过45mm的同时创造等效波导输出接口。

在图10中示出了收发模块12以及基于SIW的太赫兹传输结构1。

综上，通过结构参数的调整可使本发明SIW传输结构具有良好的传输性能，应用于端口不在同一平面的反射成像距离校正。本发明SIW传输线在保证传输性能的前提下，可实现了端口不在同一平面的器件的连接，使得太赫兹传输网络在长距离传输和垂直转接方面有一种新的结构选择方案。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。