一種雙層介質的基片集成同軸線的尺寸設計方法
【技術領域】
[0001] 本發明設及一種應用前景廣泛的基片集成同軸線的尺寸設計方法，通過將雙層介 質的SI化等效成傳統傳輸線，進而得出雙層介質的SI化的尺寸，屬于微波毫米波技術領域。
【背景技術】
[0002] 二十世紀后期W來，隨著新型材料技術和集成電路工藝的發展，使得微波毫米波 頻段有源固態電路的實現成為可能。但是在運一頻段上，微帶電路的缺點如損耗大、品質因 數低、福射和泄露嚴重等，變的越來越明顯，而傳統金屬波導元器件帶來的體積大、加工困 難、價格昂貴W及難W與平面電路相集成等問題也制約了其在高頻電路設計中的應用。在 運種情況下，基片集成波導（Substrate Integrated Waveguide,SIW)和基片集成同軸線 (Substrate Integrated Coaxial Line,SICL)技術應運而生。
[0003] SI化是一種基于多層介質基片工藝的新型導波結構，在結構上與傳統的矩形同軸 線很相似，由中屯、內導體與外層的屏蔽導體殼共同組成。與同軸線一樣，基片集成同軸線也 屬于非色散性導波結構，其傳輸主模式是橫電磁波（Transverse Electroma即etic Mode, TEM)，工作頻率與截面尺寸不相關，特性阻抗只與內外導體的尺寸之比相關。
[0004] 由于采用標準印刷電路板(Print Circuit Board,PCB)工藝加工，因此SICL具有 普通同軸線無法比擬的平面集成性，可W很容易地集成于平面電路系統。與微帶線相比，由 于具有相對完整的封閉殼，基片集成同軸線的福射損耗更低，不容易與其他電路形成相互 干擾。同時由于其完全由介質基片填充，有著更高的等效介電常數，可W實現更小的電路面 積。運些顯著的優勢使得基片集成同軸線很適合應用于現代微波毫米波電路，尤其是在較 低頻的微波頻段和寬帶應用，可W最大程度發揮其小型化集成化和無色散優勢。同時，傳統 的平面傳輸線如帶狀線和微帶線，W及同軸線功能器件的設計方法可W快速移植到SI化技 術。然而，現有的基于SI化的微波器件的設計大多采用將SI化近似于帶狀線，即先用帶狀線 設計，再將其替換為SKL，最后利用全波仿真軟件進行仿真優化參數，步驟較為繁瑣，設計 效率較低。
【發明內容】
[0005] 發明目的：針對現有技術中存在的問題與不足，本發明提供一種雙層介質的基片 集成同軸線的尺寸設計方法，設計出一種雙層介質的SI化與傳統傳輸線之間的等效形式， 簡化基于SI化的微波毫米波器件的設計流程，提升設計效率。
[0006] 技術方案:一種雙層介質的基片集成同軸線的尺寸設計方法，所述雙層介質為不 同介電常數的雙層介質，基于不同介電常數的雙層介質的SI化與矩形同軸線相似的傳輸特 性，通過等效雙層介質的SI化與矩形同軸線的單位長度電容，并根據雙層矩形同軸線和帶 狀線電場分布，分別計算雙層矩形同軸線和帶狀線的單位長度電容的近似表達式，進而得 出特定尺寸該雙層介質SI化的尺寸。
[0007] 具體步驟為：
[0008] 1)將雙層基片集成同軸線等效成為許多相同單元的級聯；
[0009] 2)根據雙層基片集成波導與矩形同軸線所傳輸的電磁場分布相似的特性，將傳輸 線單元等效為帶狀線和矩形同軸線的級聯；
[0010] 3)分別計算出雙層介質基片集成同軸線單位長度的電容和矩形同軸線單位長度 的電容表達式；
[0011] 4)將雙層基片集成同軸線等效為具有相同單位長度電容的矩形同軸線，從而得出 該等效矩形同軸線寬度的表達式。
[0012] 所述基片集成同軸線上線兩層介質介電常數不同，厚度相同。其中屯、導體寬度同 基片集成同軸線的中屯、信號線寬度相同，厚度趨向于零，其外導體高度與原基片集成同軸 線的高度相同。
[0013] 有益效果：與現有技術相比，本發明提供的雙層介質的基片集成同軸線的尺寸設 計方法，將雙層介質的SI化等效成傳統傳輸線，有效地簡化了基于SI化的微波毫米波器件 的設計流程。
【附圖說明】
[0014] 圖1為本發明中雙層介質的SI化結構的Ξ維示意圖；
[0015] 圖2為本發明中雙層介質的SI化傳輸線單元的示意圖；
[0016] 圖3為一段無窮小長度Δ X傳輸線的集總元件電路模型；
[0017] 圖4為矩形同軸線縱向切面的電場分布圖；
[0018] 圖5為本發明中通過仿真手段檢測等效公式的精度的模型示意圖；
[0019] 圖6為在一組參數組合下兩公式的回波損耗比較圖；
[0020] 圖7為在另一組參數組合下兩公式的回波損耗比較圖。
【具體實施方式】
[0021] 下面結合具體實施例，進一步闡明本發明，應理解運些實施例僅用于說明本發明 而不用于限制本發明的范圍，在閱讀了本發明之后，本領域技術人員對本發明的各種等價 形式的修改均落于本申請所附權利要求所限定的范圍。
[0022] 圖1為SI化結構的Ξ維示意圖。由圖可W看出，其結構由兩側排列的金屬過孔1，上 下兩層金屬地板4,中屯、的金屬導體信號線3,及分布于金屬地間的介電常數不同的兩層介 質基片2組成。上下金屬地板4之間的高度為h，兩層介質基片2的厚度均為h/2。可W看出， SI化傳輸線呈現周期性結構，因此在分析其單位長度電容是可W用其周期重復的一個單元 來等效分析。SICL與矩形同軸線具有相似的傳輸特性，都傳輸TEM模并且縱向截面電場分布 相似，因此可W通過將雙層介質的SI化等效為特定尺寸的矩形同軸線，由此簡化基于SI化 的微波毫米波器件的設計流程。
[0023] 圖2為SI化傳輸單元的俯剖面示意圖。內導體寬度為Win,兩側金屬過孔1的圓柱通 孔中屯、間橫向間距為Wnut，相鄰金屬圓柱通孔之間的縱向間距為P(即兩個圓柱通孔圓屯、之 間的距離為P)，圓柱通孔的直徑為D。如圖所示，選定一個金屬圓柱的通孔的中屯、為原點0， 運個中屯、指的是SI化兩排金屬通孔橫截面(運里的橫截面是指中屯、導體所在的橫截面，即 金屬通孔的中屯、位置）圓屯、，W縱向為X軸，運里參數X是指如圖2所示距離中屯、0點的距離。 將內導體與金屬圓柱通孔之間的距離設為X的函數g(x)。由SI化的周期性特性可知，可w單 獨在一個單元，即〇<χ含P的區域內對其特性進行分析。在SKL中截取X值為0<x含P中任意 的橫截面，若x^D/2或x>p-D/2,則該截面為一矩形截面，其形狀類似于傳統的矩形同軸 線。若其0/^2 <X ^ P-D/2，則該截面類似于傳統的帶狀線。
[0024] 若將SI化傳輸線單元在X方向上細分，則其可W看成是多段無窮小的傳輸線的級 聯。圖3為傳輸線的集總元件電路模型。其中R，^G，C為單位長度的量，定義如下：
[0025] R表示兩導體單位長度的串聯電阻；
[0026] L表示兩導體單位長度的串聯電感；
[0027] G表示單位長度的并聯電導；
[0028] C表示單位長度的并聯電容。
[0029] 在很多實際情況中，傳輸線的損耗很小，因此可W令R = G = 0,將該模型簡化為僅 包括串聯電感和并聯電容的模型。由傳輸線理論可得，該SI化傳輸線單元在0含x<p內的總 等效并聯電容即相當于其在X方向上細分后在每段上的電容之和，即若X含D/2或x>p-D/2 內矩形同軸線電容和D/^2<x < 口-0/2內帶狀線電容之和。
[0030] 圖4雙層介質的矩形同軸線縱向切面的電場分布圖。其電容分為Ξ部分：
[0031] ④中屯、導體和與其平行的矩形同軸線水平導體壁之間的電容Ci、C2;
[0032] ⑤矩形同軸線外導體垂直壁所產生的邊緣電容C3;
[0033] ⑥中屯、內導體邊緣同外導體水平壁產生的雜散電容C4、C5。
[0034] 由于中屯、內導體厚度近似為零，故第Ξ部分由中屯、內導體邊緣同外導體水平壁產 生的雜散電容C4、Cs可W忽略不計。中屯、導體和與其平