一种基于吸波材料的基片集成波导均衡器
阅读说明：本技术 一种基于吸波材料的基片集成波导均衡器 (Substrate integrated waveguide equalizer based on wave-absorbing material ) 是由 彭浩 黄顺华 刘宇 周翼鸿 董俊 杨涛 于 2020-12-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及微波技术,具体涉及一种基于吸波材料的基片集成波导SIW均衡器。本发明实现在普通的PCB基板上,包括SIW本体,以及通过渐变过渡线与SIW本体两端相连的50Ω微带线；通过在SIW本体长边的一侧开设一条贯通SIW本体表面金属层的槽,并用吸波材料完全填覆该槽,引入损耗介质-吸波材料增加传播通道上的损耗,当电磁波在SIW本体中以TE-(10)模传播的时候,在槽中加入的吸波材料,就能在传播TE-(10)模的同时对信号进行一定程度的衰减,使均衡器的高低端插入损耗差值更大,从而达到更大的均衡值。本发明可以增加低频段损耗,降低高频段损耗,且成本较低廉；可用于微波、毫米波电路和系统中,对不同频率的信号进行不同的衰减,对信号进行幅度均衡。(The invention relates to a microwave technology, in particular to a substrate integrated waveguide SIW equalizer based on a wave-absorbing material. The invention is realized on a common PCB substrate, which comprises a SIW body and a 50 omega microstrip line connected with two ends of the SIW body through a gradual change transition line; a groove penetrating through a metal layer on the surface of the SIW body is formed in one side of the long edge of the SIW body, the groove is completely filled with a wave-absorbing material, a loss medium-wave-absorbing material is introduced to increase the loss on a propagation channel, and TE is used for TE of electromagnetic waves in the SIW body 10 When the mode is propagated, the wave-absorbing material added in the groove can propagate TE 10 And the mode simultaneously attenuates the signal to a certain degree, so that the insertion loss difference of the high end and the low end of the equalizer is larger, and a larger equalization value is achieved. The invention can increase the low-frequency band loss and reduce the high-frequency band loss, and has lower cost; it can be used in microwave and millimeter wave circuit and system to attenuate signals of different frequencies differentlyAnd subtracting, and carrying out amplitude equalization on the signals.)
技术领域
本发明涉及微波技术，具体涉及一种基于吸波材料的基片集成波导(SubstrateIntegrated Waveguide，SIW)均衡器。
背景技术
均衡器在无线发射端与接收端、各种新型功率部件如微波功率模块中都发挥着重要的作用。当今电子系统的发展要求均衡器质量更轻、损耗更低、尺寸更小并且更易集成等特点。近几年逐渐兴起的基片集成波导(SIW)技术，是一种新型的微波传输线技术。具有体积小、重量轻、Q值高、插损小等优点。目前，SIW由于其优秀的结构特性，已广泛应用于功分器、定向耦合器、谐振器、天线及滤波器等微波器件的研制中，但实现在SIW上的均衡器还较为少见。
参考文献1：2000年，J.Kampa等人介绍了工作在6～18GHz频段的宽带均衡器模型，均衡器衰减随频率的增加而减小，将均衡器连接到微波系统中即可使系统的频率特性得到均衡，均衡量近8dB。详见J.Kampa and K.Petrus,"Microwave amplitude equalizer,"13th International Conference on Microwaves,Radar and WirelessCommunications.MIKON-2000.Conference Proceedings(IEEE Cat.No.00EX428),Wroclaw,Poland,2000,vol.1,pp.37-40
参考文献2：2010年，S.Tang等人利用螺旋谐振器设计了一种新型结构的均衡器。在4-8GHz测试结果为均衡值接近7dB，回波损耗优于-14dB。详见S.Tang,Y.Zhang andJ.Zhang,"A novel compact size microstrip equalizer based on spiralresonators,"2010International Conference on Microwave and Millimeter WaveTechnology,Chengdu,China,2010,pp.730-733
参考文献3：2015年，H.He等人利用LTCC工艺设计仿真了一款工作在2～6GHz的均衡器，可以提供12dB的最大衰减，最小插损为1.25dB。详见H.He and L.Xia,"MicrowaveLTCC equalizer based on composite right/left-handed structure,"2015IEEEInternational Conference on Communication Problem-Solving(ICCP),Guilin,2015,pp.274-277
参考文献4：最近，一种基于表面阻性材料的新型SIW均衡器被设计、仿真并得到测试，该均衡器工作在Ka频段(26-40GHz)，均衡值的测量结果分别为2.8dB、5.6dB和9dB，回波损耗都优于-18.8dB。详见H.Peng et al.,"Substrate Integrated WaveguideEqualizers and Attenuators With Surface Resistance,"in IEEE Transactions onMicrowave Theory and Techniques,vol.68,no.4,pp.1487-1495,April 2020,doi:10.1109/TMTT.2019.2958267.
以上参考文献报道中，大多数微波毫米波频段的均衡器，其设计理论和设计流程类似于滤波器的设计。实现在SIW的均衡器不常见，而在毫米波频段使用的SIW均衡器仅有一篇参考文献。但该研究中的均衡器具有两个隐含的缺陷：高成本和较大的高端插入损耗。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为了克服此类SIW均衡器的缺陷，本发明提出了一种基于吸波材料的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)均衡器，实现在普通的PCB基板上，成本可控，且插损相对较低(尤其是均衡量较大时，具有明显的优势)。
一种基于吸波材料的基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)均衡器，实现在PCB基板上，包括SIW本体，以及通过渐变过渡线与SIW本体两端相连的50Ω微带线；所述SIW本体表面开设有贯通SIW本体表面金属层的槽，并填覆吸波材料来代替被挖去的表面金属层。
SIW本体宽边长为Ws(即两排金属化通孔圆心之间的距离)，长边长为Ls，金属化通孔直径为dvp，SIW长边一侧两相邻通孔圆心间距为svp，渐变过渡线与SIW本体宽边的连接处长度为Wt，渐变过渡线与50Ω微带连接处长度为W；
在渐变过渡线与SIW本体宽边连接处两侧各自引入一个匹配用的金属化通孔，且同侧两个匹配用金属化通孔与SIW本体宽边中线成轴对称，SIW本体的一端有两个金属化通孔，两端共计4个，用于SIW本体与微带线间更精确地匹配。Lt为渐变线长度，dvp为金属化通孔的直径，svp为SIW长边一侧相邻两通孔圆心间距为svp，Ws为两排金属化通孔圆心间的距离，Lx为匹配用金属化通孔与同侧相邻金属化通孔的纵向(电磁波传播方向)距离，Ly为匹配用金属化通孔与同侧相邻金属化通孔的垂直(该垂直方向指与电磁波传播方向垂直的方向)距离。
所述吸波材料需具备的性质：介电损耗角正切tanδε和介电常数实部ε'的乘积随频率f的增大而增大。经理论推导，满足这种性质的吸波材料可以使均衡器的高低端插入损耗差值更大，从而达到更大的均衡值。
所述SIW本体长边的一侧开设有一条贯通SIW本体表面金属层的槽，并用吸波材料完全填覆该槽，槽与SIW本体宽边中心线的最小距离为del(0＜del＜Ws/2)，并且该槽关于SIW本体长边的中线成轴对称。
进一步的，为了优化驻波，所述槽的形状为梭形(两头细，中间粗)，由一个矩形、两个半圆和两个等腰梯形相适应拼接构成；矩形居中以其宽边中线与SIW长边中线重合设置，两个等腰梯形的长底边与矩形的长边相等且相适应的拼接于矩形的两条长边处，两个半圆的直径与等腰梯形的短底边相等且分别相适应的拼接于两等腰梯形的宽底边处。矩形宽边(与电磁波传播方向平行的边)长为Lsr，矩形的长边边长为Wsr(Wsr<Ws/2)，两个半圆的半径均为rvp，两个等腰梯形的高均为Lsrt(Lsr+2*Lsrt+2*rvp<Ls)。
本发明中的均衡器工作原理是：电磁波在SIW本体中以TE10模式进行传播，传输结构中的正反面金属层覆盖以及SIW的两排金属化通孔用来约束电磁波的传播边界。常规的SIW结构中，损耗大部分来自于介质基板本身的损耗。为了增加传播通道上的损耗，本发明引入损耗介质-吸波材料。当电磁波在SIW本体中以TE10模传播的时候，在槽中加入的吸波材料，就能在传播TE10模的同时对信号进行一定程度的衰减，而这种衰减和工作频率密切相关。与参考文献4相比，引入的损耗介质(吸波材料)可以增加低频段损耗，降低高频段损耗，且成本较低廉。
综上所述，本发明考虑到成本和高频率处的插入损耗，提供了一种新的SIW均衡器结构，这种SIW均衡器可用于微波、毫米波电路和系统中，对不同频率的信号进行不同的衰减，对信号进行幅度均衡。
附图说明
图1是本发明实施例均衡器结构的俯视图。
图2是本发明实施例均衡器的吸波材料区域示意图。
图3是本发明实施例RW顶部表面附着的损耗材料区域。
图4是本发明实施例不同k的衰减值仿真图。
图5是本发明实施例k到k+Δk之间不同的归一化衰减值仿真图。
图6是本发明实施例吸波材料在不同频率中介电损耗角正切tanδε和相对介电常数ε'的数值。
图7是本发明实施例k＝0.8时不同A取值对应的归一化衰减值随工作频率变化关系对比。
图8是本发明实施例RW顶部表面的吸波材料区域分布。
图9是吸波材料覆盖方法示意图。
图10是本发明实施例均衡量为3dB的仿真和测试图。
图11是本发明实施例均衡量为6dB的仿真和测试图。
图12是本发明实施例均衡量为10dB的仿真和测试图。
图13是本发明实施例均衡量为15dB的仿真和测试图。
图14是本发明实施例均衡量为20dB的仿真和测试图。
图15是本发明实施例均衡量为25dB的仿真和测试图。
附图标记：SIW本体-1，槽-2，金属化通孔-3，渐变过渡线-4，匹配用金属化通孔-5，微带线-6。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
由于在SIW和矩形波导(Rectangular Waveguide,RW)中的EM场分布特征是类似的，为了简化，首先分析了RW中的均衡器，我们可以推导出此时衰减常数α的表达式。均衡器本体侧壁部分吸波材料的分布如图3所示。
电场振幅沿+z的方向上，设RW中的衰减常数为α，以波的形式传播，TE10模传输功率可以表示为
P＝P0e-2αz (1)
定义单位长度功率损耗为
有限的壁电导率引起的单位长度功率损耗为
Rs'＝1/Lσ (6)
其中Rs、Rs'、L、σ、和表示RW的壁表面电阻、吸波材料的表面电阻、RW的表面电流密度、吸波材料长度、吸波材料的电阻率(单位：西门子/米)、指向理想金属导体和损耗材料的法向单位矢量、RW内的磁场强度。积分路线C包围了波导壁的周界，此外，为简化起见，RW金属壁带来的功率损耗可以视为0。
然后，RW顶端(y＝b)表面磁场强度
η、ZTE和fc分别是RW填充材料的本征阻抗、TE10模的波阻抗以及截止频率。
对于吸波材料，其相对介电常数为：
ε＝ε'-jε”＝ε'(1-jtanδε) (9)
ε”＝ε'tanδε＝σ/ω＝σ/(2πf) (10)
其中ε、ε'、ε”和tanδε分别为吸波材料复介电常数、吸波材料复介电常数的实部、虚部以及介质损耗角正切。
将式(6)、(7)、(8)和(10)代入式(5)可得：
TE10模流经RW的功率流计算为：
因此，衰减常数α由下式给出：
令c＝k·a(0≤k≤1)，F＝fcf(0.5<F<0.85)，从式(15)中，衰减常数α可以重写为
我们可以令重写衰减常数α为：
假定A不随频率变化，根据式(16)可以作出对应不同k值的衰减值以及k到k+Δk衰减值的差值随频率的变化关系。
从图4中可以看出，在k＝0到k＝1范围内，所有插入损耗与工作频率均呈负斜率。图5显示，在k＝0到k＝1范围内，k到k+Δk衰减值的差值也与工作频率呈负相关；此外，随着k的增加，频段内的均衡量会变大。
图6是本发明实施例吸波材料(成都佳驰电子科技有限公司，JCXB-S-120型号的吸波材料)在不同频率中介电损耗角正切tanδε和相对介电常数ε'的数值。值得注意的是，在图6中，随着频率的变大，介质损耗角正切tanδε呈现上升趋势，而介电常数实部ε'呈现下降趋势。在26-40GHz的范围内，tanδε变大约82.5％，同时介电常数实部ε'的变化我们几乎可以忽略不计(约缩小2.7％)，其两者总乘积变大约77.5％。所以，我们不能直接把等式(16)中的当常数处理，重写α的表达式：
α＝A*B (17)
其中，
当f升高时，α＝A↓*B↓，A和B均呈现下降趋势，则α整体也呈现下降趋势。
下面我们以k等于0.8为例用实测数据作图分析A的变化对衰减常数的影响，图7分别展示了文献[4]中公式(14)、该发明中式(16)假设A为常数时、A中将介电损耗角正切tanδε当成变量时，以及A中介电损耗角正切tanδε和介电常数实部ε'均作为变量情况下归一化衰减值与工作频率的关系对比。
显然，与文献[4]等式(14)相比，此发明的归一化均衡值(即高低端频率的插入损耗差值)有明显增加；此外，当我们考虑吸波材料电磁特性(介质损耗角正切tanδε和相对介电常数εr等)随频率的变化时，衰减常数随工作频率变化幅度会更大；而且由图6中可知介质损耗角正切tanδε的变化影响占主导，介电常数实部ε'变化几乎构不成影响。也就是说，吸波材料的引入有效地增大了SIW均衡器的均衡值，这样可以使均衡器在高频段的插入损耗值明显减小。
在吸波材料的电磁特性以及RW衰减特性的理论推导的基础上，我们可以在SIW的表面金属层引入细长的吸波材料构成均衡器。有一点需要注意，为了实现更大的均衡量，可以将吸波材料放置在尽可能远离中心线的位置，为了达到最大斜率且可加工实现，我们选取k＝0.8左右，如图8所示。
覆盖吸波材料的方法如图9所示，我们将吸波材料置于PCB板材和绝缘的橡胶板之间，并用螺丝和上下两块金属板将其固定住，保证吸波材料均匀覆盖在槽内的同时，又能有效避免夹具对实验结果的影响。
我们将k＝0.8分界线附近的一侧挖去表面金属形成一条缝隙并覆盖吸波材料。该SIW均衡器俯视图为图1。
依据前述提及的基于吸波材料SIW均衡器，工作在Ka频段，实现在Rogers 5880介质基板上，厚度0.254mm，介电常数2.2，正切损耗0.0009。
经过电磁仿真软件Ansoft HFSS进行仿真并优化后，获得了最佳的参数尺寸，具体如表1所示(注意：为了实现小均衡量，需要将缝隙靠近中心位置)：
表1
均衡值分别为3dB、6dB、10dB、15dB、20dB和25dB的仿真结果分别如图10、11、12、13、14和15所示，具体分析结果如表2。测试结果与仿真结果基本一致，S11测量值在整个Ka频段均优于-14.8dB。SIW均衡器的均衡值，它被定义为在26Ghz和40Ghz频点传输损耗S21的不同值，与3dB、6dB、10dB、15dB、20dB和25dB的仿真结果比较，实际分别为2.94dB、6.55dB、9.74dB、14.9dB、20.39dB和24.01dB，均衡误差分别为0.06dB、0.55dB、0.26dB、0.1dB、0.39dB和0.99dB。
通过以上仿真和具体实验结果表明，本发明通过在SIW本体长边的一侧开设一条贯通SIW本体表面金属层的槽，并用吸波材料完全填覆该槽，引入损耗介质-吸波材料增加传播通道上的损耗，当电磁波在SIW本体中以TE10模传播的时候，在槽中加入的吸波材料，就能在传播TE10模的同时对信号进行一定程度的衰减，使均衡器的高低端插入损耗差值更大，从而达到更大的均衡值。本发明提供的SIW均衡器能对不同频率的信号进行不同的衰减，且频率越高，衰减越小；可以增加低频段损耗，降低高频段损耗，且成本较低廉。可用于微波、毫米波电路和系统中，对不同频率的信号进行不同的衰减，对信号进行幅度均衡。此外，使用吸波材料的均衡器成本较低、高频率处的插入损耗值较低是其优点所在。
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