1、前言

Hirokawa和Ando于1998年首先提出了基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide,SIW），即在介質基片中制作兩排金屬化通孔，與上下表面圍成準封閉的導波結構。相對于傳統的金屬波導，SIW體積小、重量輕；同時，相對于微帶線等傳統電路，SIW損耗小、輻射低。吳柯教授以及其他的專家學者對SIW進行了數值分析、建模及特性分析，并實現了各類高性能的器件，例如濾波器、定向耦合器、移相器、天線單元及陣列等。然而在實際工程應用中，單一器件往往不能滿足系統需求，各組件、部件乃至各子系統一般都要求盡可能使用同一種傳輸線，從而保證內部連接更為緊湊，使得損耗更小，性能穩定。由于基片集成波導的結構包含大量金屬化圓孔，仿真軟件在仿真的時候，往往導致計算機內存不夠而運行終止，或者占用內存較大而降低仿真效率。

本文基于上述考慮，結合單脈沖網絡的項目需求，運用HFSS軟件，采用優化設計模型，設計了基片集成波導的單脈沖饋電網絡。在考慮到各項誤差后，測試結果和仿真結果基本吻合，從而證明優化模型在基片集成波導設計中的高效性，也證明HFSS在電路設計過程中的實用價值。

2、基于基片集成波導的單脈沖饋電網絡

2.1、基片集成波導

圖1、基片集成波導結構

基片集成波導（Substrate integrated waveguide，SIW）是一種新的微波傳輸線形式，其利用金屬過孔或金屬柱，在介質基片上實現波導的場傳播模式，如圖1所示。由于其傳播模式和傳統的金屬波導相同，因此在電性能上，其等效為一段填充有介質的金屬波導，等效寬度可由等效公式進行計算。

公式1 等效寬度的計算公式

其中a'為基片集成波導的寬度,W是金屬化孔間距，R是金屬化孔的半徑，而a為填充介質的等效金屬波導寬度。為提高仿真效率同時防止電磁波從金屬化孔間泄露，一般取3R≤W≤4R。

2.2、單脈沖饋電網絡

圖2、單脈沖網絡

在機載和彈載系統中，廣泛采用平板式的單脈沖天線，如圖2所示。這種單脈沖天線在物理上被劃分成四個象限（1-4），每個象限射頻信息（E₁-E₄）通過多層饋電網絡合成后匯聚到單脈沖比較器（I-III），單脈沖比較器作為整個單脈沖天線的關鍵部件，把四個象限的射頻信號合成為一個和波束（E_Σ），兩個正交差波束（E_Δα、E_Δβ）方向圖。

3、單脈沖饋電網絡的HFSS仿真

3.1、優化模型

圖3、基片集成波導的網格劃分

大型基片集成波導電路往往金屬化孔的數量較多，這些金屬化孔是弧面。在HFSS中，為了保證仿真的精度，弧面所需的網格數量往往遠大于平面。圖3是工作在X波段的基片集成波導傳輸線?；瑢挾?4mm，金屬化孔的半徑為0.25mm，默認的圓柱面的劃分為0，網格數量為19953，從圖中也可以明顯看出金屬化孔的區域自適應的加密程度遠大于其它區域。

優化模型的關鍵在于調整圓柱面的劃分數量，從而使得網格的數量下降到計算機內存可接受的程度，但是同時又要保證仿真的正確性。圖4是對圖3所示傳輸線進行仿真的結果，對于金屬化孔，默認的圓弧面網格劃分數量為16。從圖4中可以看出隨著劃分數量從16降低到6，網格劃分對應的數量從19953降低到5455，而回波損耗的誤差約0.5dB左右，插入損耗誤差小于0.02dB，相位的誤差小于1度。當然，不同復雜程度的模型對應不同程度的誤差量級，因此兼顧到效率和運算精度，最終取圓弧面的網格劃分數量為10。

圖4、圓弧面網格劃分不同數量下的仿真結果。a）回波損耗；b）插入損耗；c）相位差異；d）網格數量

3.2、設計實例

工程實際需求的基片集成波導單脈沖饋電網絡工作在Ku波段，它主要由四個3-dB電橋，四個90度移相器，以及四個1：8功率分配網絡組成，如圖5(a)所示。其中輸入口為端口1-4，共四個，1口為E_Σ，2口和3口分別為E_Δα和E_Δβ，而4口稱為Q口，一般接匹配負載；輸出口為端口5-36，共32個。圖5(b)為整個系統在HFSS中的仿真模型，其中1-4口，SSMA水平輸入，5-36口SMP垂直輸出，基片集成波導主體電路通過基片集成波導/微帶過渡到同軸端口。設計的印制板采用厚度為1.016mm的Rogers RT-6002，該介質板介電常數為2.94，由于參雜了陶瓷粉，因此質地較硬，同時相位的溫度穩定性較好，特別適合高頻使用。由于本設計要求工作在Ku波段，因此金屬化孔的半徑為0.2mm。采用IBM服務器X3650（2xE5620，64G內存）最終經過8次的迭代，如圖5(c)所示。

圖5、基片集成波導單脈沖網絡的原理圖(a)，仿真模型(b)，仿真收斂狀態(c)以及實物圖(d)

加工完成的實物圖如圖5(d)所示，整個饋電網絡的尺寸為146.5mm╳140mm，由于印制板和結構件的公差配合，印制板的尺寸比結構件的腔體要稍微小一些，因此印制板和腔體壁之間有一定的間隙，間隙的存在影響了系統的匹配，因次通過增加額外的調配手段(Tuning Point)，使得系統匹配。樣件的測試基于40GHz網絡分析儀，最終測試的結果，如圖6。

圖6、基片集成波導單脈沖網絡的測試和仿真對比結果：總端口回波損耗(a)，總端口間的隔離度(b)，分端口幅度均方差(c)以及分端口相位均方差(d)

4、結論

介紹了基片集成波導以及單脈沖天線的基本工作原理，并根據工程需求，利用優化的金屬化孔模型，在保證仿真精度的前提下，使得仿真的效率進一步提高；最終設計了Ku波段的電大尺寸饋電網絡，在6%的帶寬內總口回波損耗好于10dB，隔離大于25dB，32個輸出端口的幅度均方誤差小于0.5dB，相位誤差小于6度。

作者：陳海東、侯文杰、車文荃、馮文杰

來源:ANSYS