SIW in radar system

SIW，即基片集成波导，在雷达领域有着广泛的应用，作为一种优质的传输线结构，SIW能保障低损耗、低成本和高性能的天线设计。

图1：采用SIW结构的雷达PCB

 SIW传输结构和损耗

微带线传输结构依靠上层铜箔形成的信号线路、中间层介质和下层铜箔形成接地平面即可构成。结构非常简单且易于加工，性价比高，并能够满足不同结构的表面安装要求，如图1所示。接地共面波导（GCPW）结构与微带线相似，但在上层铜箔导体的两侧有接地平面，且通过金属过孔将上层和底层地平面相连。带状线的结构与微带线或共面波导线均不同，它的信号导体 位于中间层，而上、下两层是接地平面而中间填充介质，几乎可以看作是扁平的同轴线结构。

如图2中场力线分布，微带线与GCPW的信号传播方向上并不存在场分量。但由于这两种传输线的电、磁场并不完全分分布于电介质中，有少部分场力线位于空气中；导致信号在电介质中与空气中传输的TEM波的相速不同，其分界面并不能完全实现相位匹配。因此这两种传输线模式是准TEM波模式。而带状线的场力线上下对称分布于中间层介质中，因此带状线的传输模式是TEM波模式。

图2：不同传输线结构的电/磁场分布

基片集成波导结构是一种新型的传输线结构，SIW兼顾传统波导和微带传输线的优点，可实现高性能微波/毫米波的平面电路。其结构如图3所示，SIW由上下两层金属、左右两排金属通孔、以及中间填充的介质构成。其将传统波导结构集成在介质基片中，实际上是一种介质填充的波导结构。SIW 中的电磁波被限制在上下金属层和两排金属孔之间的区域传播。对电磁波而言，SIW可以看做一个充满介质的矩形波导，和常规长高比为2:1的矩形波导相比，SIW降低了高度，增加了等效电容，因而波阻抗降低。由于电流的分布情况，在SIW中只能传播 TEn0波而不能传播TM 或TEmn(n≠0)波，与矩形波导相似，SIW 传输的主模是 TE10模。

图3：SIW仿真模型及电场分布

对于PCB传输线电路，插入损耗主要包括介质损耗、导体损耗、辐射损耗和泄漏损耗几个部分，是各种损耗成分的总和。泄漏损耗通常是由于信号与地之间形成了泄漏电流而导致的能量的损失。由于高频PCB材料具有较大的体电阻，泄漏损耗很小，一般可以忽略。电路的导体损耗是传输线上信号路径的能量损失，是由导体自身的阻抗引起。介质损耗则是由构成电路的电路材料的耗散因子所决定，选择相对较小的损耗因子材料有利于电路总的插入损耗的减小。对于中低频段电路，电路的插入损耗主要由导体损耗和介质损耗决定。而随着电路所应用的频率的不断升高，信号波长变短，特别是在毫米波频段，传输线的非闭合结构，以及传输线的横截面积与线宽等保持不变而使电路的辐射损耗就变得不可忽略。

 SIW设计公式

基片集成波导和传统金属波导相似，SIW的通孔结构对应金属波导的窄边在垂直方向开缝。能产生辐射的原因就在于缝隙切割了表面电流，也即改变了电流的流动方向。在窄边方向上，电流方向和缝隙方向是平行的，因此并没有切割电流线，所以不会产生辐射泄漏。而TM模式的电磁波在窄边的电流方向是水平的，，垂直的开缝一定会切割电流线而形成辐射，导致TM模式的电磁波不能在波导内传输，因此SIW结构只能传输Ten0模，而且以TE10模为主模。

若在SIW结构上开缝实现辐射，则缝隙偏置决定电流线的疏密程度，缝隙长度决定了切割电流线的数量，因此偏置和长度决定了缝隙的辐射强度，可以作为关键参数优化阵列性能。缝隙开在正中间，长边切割的电流方向相反，因此在空间中相互抵消而无法产生较强辐射，所以缝隙的位置通常不会置于波导宽边的正中间，而是距离中轴线两侧。同时，波导壁电流相隔半个导波长或在中轴线两侧对称位置都是大小相等而且方向相反的，因此通常纵缝阵的缝隙要间隔半个导波波长而且在中轴线两侧交替分布，以实现缝隙都被相同方向的内壁电流激励，实现理想的辐射效果。

图4：窄边开缝波导TE10模管壁电流分布

对于TE10模，高度b不影响波导的截止频率，因此介质材料的厚度可以是任意值，考虑到介质损耗及工艺加工，高频材料的介质板常规厚度通常为4mil或者5mil。

图5：矩形波导尺寸a*b介电常数ε

对矩形波导而言，截止频率fc：

TE10模式下，fc=c/2a，考虑到介质影响，矩形波导长边的有效长度，SIW的等效长度为：

λ是波导波长：

图6：参数示意图

图8：d=30, 40, 50 mil and p=1.5d

通孔直径增加，高频测带宽变窄，当d=50mil时，48G左右的S21变化明显。

图9：p=20, 30, 40, 50, 60, 80 and d=20 mil

间距增加，引起能量泄漏，S参数恶化。

 SIW功分器

文献"Substrate-Integrated-Waveguide IEEE ANTENNAS & PROPAGATION MAGAZINEPower Dividers, Shahriar Hasan Shehab,Nemai Chandra Karmakar,and Jeffrey Walker，pp:27-38,2020". 对整个SIW功分器设计，分类以及性能做了很好的总结。

在之前的文章有详细介绍功分器理论基础和一些仿真结果，请查阅带功分器的阵列天线设计，作为验证，建立如下1分4功分器模型，并查看电场分布。

图10：SIW功分器

图11: 27G电场分布