技术领域
[0001] 本
发明涉及
微波技术，具体涉及一种基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)均衡器。
背景技术
[0002] 基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)作为一种新型的传输线结构已经被广泛地用于微波与毫米波
电路，其具有损耗低、微波性能优良、易于集成等优点。
[0003] 均衡器是射频、微波和毫米波电路与系统的重要组成部分。对于大多数有源和无源器件或电路来说，随着
频率的增加，增益下降的趋势或插入损耗的增加趋势是客观存在的。现有的均衡器理论主要基于
谐振电路，这意味着均衡器的设计方法和过程类似于
滤波器设计。而在本
专利中，将提出一种新型的基于SIW的均衡器。
[0004] 据我们所知，现有的均衡器主要有两种类型：用于高速数字
信号传输的无源/有源均衡器和用于微波毫米波频段的无源均衡器。
[0005] 对于用于高速
数字信号传输的均衡器，所有的起始频率点都是直流的，在频率低端将获得更大的插入损耗或较低的增益。已有的报道主要如下：
[0006] 研究者Yujeong Shim等人采用
缺陷地短截线结构，制作了一种应用于高速数据传输的宽带无源均衡器，该均衡器在印刷
电路板上采用了60厘米传输线，传输
数据速率达到了8Gbps。参见文献Y.Shim,W.Lee,E.Song,J.Cho,and J.Kim“, A compact and wide-band passive equalizer design using a stub with defected ground structure for high speed data transmission,”IEEE Microwave Wireless Components Letters,vol.20,no.5,pp.256–258,May.2010.
[0007] 研究者S.M.Wu等采用开路短截线，制作了一种同样应用于高速数据传输的宽带无源均衡器，通过将一段开路短截线与传统的RL(
电阻电感)型无源均衡器相结合，补偿了长传输路径的频率相关信道损耗，使信道的频率响应更加平坦，带宽更宽。参见文献S.M.Wu,S.H.Huang,H.Y.Wang,C.T.Chiu,C.P.Hung,C.W.Kuo and C.C.Wang“, Enhanced passive equaliser using open-stub structure,”Electronics Letters,vol.49,no.24,pp.1528–1529,Nov.2013.
[0008] 现有的用于微波频带的无源均衡器，其理论分析和设计流程与谐振电路中的滤波器设计非常相似。已有的报道主要如下：
[0009] 研究者Peihan Zhou等用
薄膜电阻代替芯片电阻，提出了一种新的均衡器思路。通过在一定范围内改变主传输线的电气长度，在传输参数变化较小的情况下，明显改善了回波损耗。参见文献P.H.Zhou,X.Q.Xie,J.Xie,J.Li,“Anew research of broadband microwave gain equalizer”,2012International Workshop on Microwave and Millimeter Wave Circuits and System Technology,Chengdu,China,Apr.2012,pp.1–4.[0010] 研究者H.Wang等提出了一种用于微带电路的宽带微波增益均衡器，该均衡器采用开路阶梯阻抗
谐振器(Stepped Impedance Resonators，SIRs)来增加调节参数，使均衡曲线更加简洁，利用增益均衡器的简单的拓扑结构使匹配更容易。参见文献H.Wang,B.Yan,Z.Wang,and R.Xu,“A broadband microwave gain equalizer”,Progress In Electromagnetics Research Letters,vol.33,pp.63–72,2012.
[0011] 以上参考文献报道的微波频段均衡器，其设计理论和设计流程类似于滤波器的设计，工作频率和带宽有待提高。基于SIW的均衡器报道不常见，而在毫米波频段使用的SIW均衡器还未见报道。本发明提出了一种基于SIW的毫米波均衡器。
发明内容
[0012] 针对上述存在问题或不足，为了补偿工作在毫米波频段的元器件和电路的幅值不一致，本发明提供了一种基片集成波导(Substrate Integrated Waveguide，SIW)均衡器。
[0013] 该基片集成波导均衡器实现在陶瓷
基板上，包括SIW本体和表面电阻薄膜，SIW本体通过渐变线与50Ω微带线相连。
[0014] SIW本体宽边长为Ws(即两
金属化通孔行之间的距离)，长边长为Ls，渐变线与SIW本体宽边的衔接边长度为Wt，在衔接边两侧各自引入一个匹配用的金属化通孔，且同侧2个匹配用金属化通孔与SIW本体宽边的中线成轴对称，一端有2个匹配用金属化通孔，两端共计4个。
[0015] 所述SIW本体开设有2个贯通了SIW本体表面金属层的槽，用于安放表面电阻薄膜，表面电阻薄膜与槽的大小相适应，2个槽关于SIW本体宽边的中线成镜像。
[0016] 槽由中间一个矩形和两端各一个以矩形宽边为底的等腰三
角形构成，两个等腰三角形的
顶点连线与SIW本体宽边的中线平行，且2个槽关于SIW本体宽边的中线成镜像，两个槽的物理中心即矩形的中心位于SIW本体长边的中线上。矩形长边(与
电磁波传播方向平行的边)长为Lsr，矩形的宽边边长为Wsr(Wsr
[0017] Lt为渐变线长度，dvp为金属化通孔的直径，svp为同行相邻金属化通孔的中心孔间距，Ws为两排金属化通孔的距离，Lx为匹配用金属化通孔的圆心距离对应的SIW本体宽边距离。
[0018] 本发明中的均衡器工作原理是：电磁波在SIW本体中以TE1.0模式进行传播，传输结构中的正
反面通过金属层
覆盖以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介质损耗。为了增加传播通道上的损耗，我们引入耗能原件-电阻薄膜。当电磁波在SIW本体中以TE1.0模传播的时候，在两
槽线中放置表面电阻膜，就能在传播TE1.0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。
[0019] 综上所述，本发明提供了一种新的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。
附图说明
[0020] 图1是本发明实例均衡器结构的俯视图。
[0021] 图2是本发明实例均衡器的
方块电阻区域。
[0022] 图3是本发明实例RW
侧壁的电阻区域划分。
[0023] 图4是本发明实例k到k+Δk之间不同的归一化衰减值仿真图。
[0024] 图5是本发明实例S参数曲线3dB仿真图。
[0025] 图6是本发明实例S参数曲线6dB仿真图。
[0026] 图7是本发明实例S参数曲线10dB仿真图。
[0027] 附图标记：SIW均衡器本体-1，槽线-2，金属化通孔-3，渐变线-4，匹配用金属化通孔-5，微带线-6。
具体实施方式
[0028] 下面结合附图和实例对本发明做进一步的详细说明。
[0029] 由于在SIW和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。均衡器本体侧壁部分表面电阻的分布如图3，可分为两部分：区域一和区域二、三。
[0030]
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，可以表示为[0031] E＝E0e-αz (1)
[0032] 传输功率可表示为
[0033] P＝P0e-2αz (2)
[0034] 单位长度的功率损耗为
[0035]
[0036]
[0037]
[0038]
[0039] 其中Rs，Rs'，Js， 和 分别表示金属在RW中的表面电阻、损耗材料中的表面电阻、表面
电流密度、指向理想导体和表面电阻的法向单位矢量、RW内的
磁场强度。为了简化分析，与有耗材料的表面电阻相比，金属墙体的表面电阻可以近似等于0Ω。
[0040] 然后，
[0041]
[0042]
[0043] η,ZTE,fc是SIW的固有阻抗、横电波与磁场的波阻抗以及其截止频率。
[0044] 将式(7)和式(8)代入式(6)
[0045]
[0046]
[0047]
[0048] 因此，衰减常数α由下式给出
[0049]
[0050] 令c＝k·a(0≤k≤1)，从式(12)中，衰减常数α可以重写为
[0051]
[0052] 令F＝fc/f(0.5＜F＜0.85)，且 从式(13)中，衰减常数α可以简化为[0053]
[0054] k到k+Δk之间不同的归一化衰减值仿真结果如图4，SIW本体侧壁部分表面电阻可以分成两部分：区域一和区域二、三。在区域一：高、低频率点之间的插入损耗差值会随着k的增加而增大。在区域二和区域三：高、低频点之间的插入损耗差会随k的增大而变小。从RW衰减特性入手，为了达到最大坡度，选取标度因子k在0.8左右，表面电阻的
位置应放在区域二、三。
[0055] 依据前述提及的基于表面电阻型SIW均衡器，工作在Ka频段，实现在陶瓷基板上，其相对
介电常数为9.9，衬底厚度h为0.254mm，金厚度7μm。Ly为匹配用金属化通孔圆心与相对应侧金属化通孔行的通孔圆心所在直线的距离。
[0056] 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：
[0057] 表1
[0058]
[0059] 均衡值分别为3dB，6dB，10dB的仿真结果分别如图5、6、7所示，具体分析结果如表2。
[0060] 表2
[0061]
频率范围 均衡值 S21测试结果 误差
26GHz-40GHz(Ka波段) 3dB 2.8dB 0.2dB
26GHz-40GHz(Ka波段) 6dB 5.6dB 0.4dB
26GHz-40GHz(Ka波段) 10dB 9dB 1dB
[0062] 测试和仿真结果如图5、6、7所示，测试结果与仿真结果吻合较好。测量值在23.9-40GHz范围内优于18.8dB，覆盖整个Ka波段。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和10dB的仿真结果比较，实际分别为2.8dB，
5.6dB和9dB，均衡误差分别为0.2dB、0.4dB和1dB。仿真结果表明，该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。可用于微波、毫米波电路和系统中，对信号的幅度进行均衡。
