雷达天线中的能量转换问题（一）

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在微波电路或者系统中，整个电路或者系统往往是由许多基本的微波器件如滤波器、耦合器、功分器等组成。希望通过这些器件，以最小的损耗尽可能高效地将信号功率从一个点传到另一个点；

在整个车载雷达系统中，涉及到能量转换的主要有从芯片端给出的能量到PCB板上馈线传递、馈线到天线本体传递以及天线高效辐射能量。而在整个能量的传递过程中，重要的一环便是转换器的设计。毫米波系统中的转换器主要有微带到基片集成波导（SIW）转换、微带到波导转换、SIW到波导转换、同轴到波导转换、波导到波导转换以及不同类型的波导转换。本期将关注微带到SIW转换设计。

不同类型的传输结构

微带线是相对较低的微波频率下使用最广泛的导向结构之一，主要优势在于结构简单，成本低以及与表面贴装元件的高集成性。典型的微带线是在介电层基板的一侧使用导体形成，另一侧形成单个接地平面，上方形为空气。顶部导体基本上是导电材料（通常选铜），形状为窄线。线的宽度、厚度、相对介电常数和基板的介电损耗角正切是重要的参数。此外，导体的厚度（即金属化厚度）和导体的导电性在较高频率下也至关重要。通过仔细考虑这些参数并使用微带线作为其他器件的基本单元，可以设计出许多印刷微波器件和组件，如滤波器、耦合器、功率分配器/合路器、混频器等。然而随着频率的增加（当移动到相对较高的微波频率时），传输损耗增加并出现辐射。因此，矩形波导等空心管波导是首选，因为在较高频率（无辐射）下的损耗较小。波导内部通常是空气。但是如果需要，可以用介电材料填充，从而与充气波导相比，其横截面更小。不过空心管波导通常体积庞大，尤其是在较低频率下可能很重，对生产制造有更高的要求且成本高昂，并且无法与平面印刷结构集成。

另外一种是介于微带结构和波导之间的混合引导结构，称为基片集成波导（SIW）。SIW是在介电材料上制造的集成波导状结构，顶部和底部是导体，两个金属通孔的线性阵列形成侧壁。和微带线和波导结构相比，SIW兼具成本效益、制造工艺相对容易、可与平面器件集成等特点。此外，在高频下的性能优于微带结构，并具有波导色散特性。如图一所示；

SIW设计准则

基板集成波导（SIW）是集成波导状结构，通过使用嵌入在连接两个平行金属板的电介质中的两排金属通孔制造而成。一排排金属通孔形成侧壁。这种结构具有微带线和波导的特性。制造过程也与其他印刷平面结构相似。典型的SIW几何形状如图2.1所示，其中其宽度（即通孔之间在横向上的分离（as）），通孔的直径（d）和节距长度（p）是用于设计SIW结构的最重要的几何参数（如图2.1所示），将在下一节中解释。需要注意的是，主模是TE10，就像矩形波导一样。空气填充波导（AFWG）和介质填充波导（DFWG）的截止频率 fc 与尺寸 a 和 b 之间的关系是 SIW 设计的第一点。对于空气填充波导，截止频率如右下公式

SIW基本机构及计算公式[1]

其中 c 是自由空间中的光速，m和n 是模数，a是较长的波导尺寸，b 是较短的波导尺寸。当波导工作在TE10模式下时，可简化为fc=c/2a；当为介质填充波导时，宽边长度a由ad=a/Sqrt(εr)计算，其中εr为介质的介电常数；为了使SIW工作在TE10模式，通孔间距p，直径d以及宽边as应满足如下图右上公式，且同时有d＜λg和p＜2d的经验公式[2];

其中λg是导波波长：同时，基板的厚度不会影响SIW 尺寸设计，但它会影响结构的损耗，因此应考虑高厚度基板的低损耗优势。

微带到SIW转换

当微带结构需要连接到SIW时，锥形微带状过渡是主要优选的过渡方式之一，与其他印刷过渡相比，锥形过渡通常提供宽带匹配。设计良好的过渡结构的反射非常低，插入损耗主要由介电损耗和导体损耗引起。衬底和导体材料的选择主要决定了过渡的损耗，由于基板的厚度阻碍了微带线的宽度，因此当基板的厚度发生变化时，应调整锥形过渡的参数。另外一种接地共面波导（GCPW）也是高频系统中广泛采用的传输线结构。靠近中间传输线的侧导体也用作接地。通过调整主馈线的宽度和与侧接地之间的间隙，可以获得所需的特性阻抗。

微带转SIW和GCPW转SIW

下图为微带到SIW的设计示例，采用的介质为Rogers3003，介电常数3.0，损耗真切值0.001，厚度为0.127mm。两端的馈线宽度为0.28mm，适配天线馈线宽度，通孔直径为d=0.4mm，间距p=0.6mm。仿真尺寸为50mm*12mm*0.127mm。通带内整体损耗约为1.5dB（优化宽边间距可进一步减小）。

SIW结构及其S参数

电场分布@79GHz

参考文献

[1]J. E. Rayas-Sanchez and V. Gutierrez-Ayala, “A general em-based design procedure for single-layer substrate integrated waveguide interconnects with microstrip transitions

[2]Ke Wu; Desiandes, D.; Cassivi, Y. (2003). "The substrate integrated circuits - a new concept for high-frequency electronics and optoelectronics"

来源：雷达天线站

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首次发布时间：2024-01-16