一种宽频带表贴电阻型的全模基片集成波导衰减器的制作方法

本发明涉及微波衰减器，具体涉及一种宽频带表贴电阻型的全模基片集成波导(substrateintegratedwaveguide,siw)衰减器，用来拓宽全模基片集成波导衰减器的工作带宽。
背景技术：
：衰减器可对微波信号的功率进行调整，常用来将大功率信号衰减到预定的功率值范围，提高电路稳定性，改善匹配网络的端口特性等。常用的衰减器实现在各种传输线中(如微带线、共面波导、接地共面波导等)，通常的电路结构拓扑形式为π型或t型。基片集成波导具有损耗低、性能好、易于集成等优点，作为一种新型的导波技术已经被广泛地用于微波与毫米波电路。基片集成波导本身还具备传统金属波导和微带线的优点，能够在平面电路中很方便的实现高性能微波毫米波电路结构。根据现有的文献报道，在全模基片集成波导衰减器中，对信号功率的衰减可以使用π型衰减网络，其由三个电阻元件构成，但这种拓扑结构得到的衰减器，其带宽还有进一步拓宽的空间。全模基片集成波导(siw)衰减器的参考文献如下：研究者dong-sikeom等通过在siw本体结构中，引入三个表贴电阻型π型衰减器，以实现对功率的衰减，获得了32％的相对带宽，参见文献dong-sikeom,hai-younglee,“anx-bandsubstrateintegratedwaveguideattenuator,”microwaveandopticaltechnologyletters,2014，56(10)：2446–2449。半模基片集成波导(hmsiw)衰减器的参考文献如下：研究者dong-sikeom等通过在hmsiw(halfmodesubstrateintegratedwaveguide)本体结构中，引入改进的表贴电阻π型衰减器，将经典的表贴电阻π型衰减器中间的一个串联电阻改成三个电阻并联的形式，加上两个接地电阻，总共5个电阻，以实现对功率的衰减，同时拓宽了带宽，相对带宽为68.6％，参见文献dong-sikeom,hai-younglee,“broadbandhalfmodesubstrateintegratedwaveguideattenuatorin7.29–14.90ghz,”ieeemicrowaveandwirelesscomponentsletters,2015，25(9)：564-566。在以上两种方法中，第一种方法在siw本体中引入三个表贴电阻以实现π型衰减器，结构简单，但相对带宽仅为32％(8.04–11.12ghz)，具有很大的提升空间；第二种方法在hmsiw本体中，引入改进的表贴电阻π型衰减器，将经典的表贴电阻π型衰减器的中间串联电阻由一个改为三个电阻并联，共计五个表贴电阻，相对带宽达到68.6％。技术实现要素：针对上述存在问题或不足，为拓宽全模基片集成波导衰减器的工作带宽。本发明提供了一种宽频带表贴电阻型的全模基片集成波导衰减器。该宽频带表贴电阻型的全模基片集成波导衰减器基于常规的全模基片集成波导电路结构，包括siw本体、渐变线和微带线。siw本体宽边长度为ws，长边长度为ls，渐变线的宽边长度为wt，窄边长度为wm，长度为lt，窄边连接宽度为wm、长度为lm的微带线，siw本体的四个角各自引入一个匹配用的金属化通孔，直径均为match_d，共计4个。在siw本体上设有一条中间槽线用来安装贴片电阻，中间槽线设置于siw本体的长边中垂线上，长度为gap_l、宽度为gap_w，其几何中心与siw本体的几何中心重合。所述贴片电阻采用改进的表贴电阻π型衰减器实现衰减功能，该改进的表贴电阻π型衰减器是将经典的表贴电阻π型衰减器中间的串联电阻由一个改为五个电阻并联的结构形式。五个贴片电阻垂直于中间槽线按中心距为res_l等距离设置于中间槽线上，且最中间的贴片电阻的中心点与siw本体的中心点重合。沿信号传输的方向，在siw的金属层上开设有两个关于中间槽线对称的过渡结构，过渡结构距中间槽线对应侧边缘的长度为b；过渡结构的形状由一个矩形和等腰三角形构成，等腰三角形的底边与矩形的宽边重合作为公共边；过渡结构靠近中间槽线的一端是长度为kon_l、宽度为kon_w的矩形端；远离中间槽线的一端是三角形端，其底边长度为kon_w，底边高的长度为a。每个过渡结构的矩形端内部均设有一个矩形金属块，金属块中设有接地通孔，用来安装改进的表贴电阻π型衰减器的接地电阻；在过渡结构的矩形端内部，设计有长度为ground_l，宽度为ground_w的矩形金属块，在该矩形金属块内部，设计有直径为hole_d的接地通孔；其中过渡结构、矩形金属块，以及接地通孔的对称轴均处于同一直线上，且与siw本体的长边平行。改进的表贴电阻π型衰减器的两个接地电阻分别接在最中间的贴片电阻的两端，一端与中间电阻相连，另一端接在锥形过渡中间的接地矩形块上，如图1所示。该衰减器的设计方法如下：先选定介电常数为εr、厚度为h的siw介质基板，再在目标频段内设计siw本体。为了获得siw的尺寸，即其宽度ws，首先要ws的选取满足最低工作频率fl＞fc，即需满足简化后得到根据以上条件选择ws使siw工作在te10模式。由于siw特性阻抗的计算方法与矩形波导类似，因此siw的特性阻抗公式近似为siw本体的宽度ws在满足式(2)的条件下，宽度ws、介质基板厚度h、介质基板介电常数εr、真空光速c、中心频率f均为已知量，我们能够根据式(3)，然后获得与之相对应的siw的特性阻抗z0。然后设计改进的表贴电阻π型衰减器，对于经典的三个电阻组成的π型衰减器，设中间电阻阻值为rs，两个接地电阻阻值均为rh，电压衰减量为a，故电压衰减倍数从而得根据式(4)和式(5)以及siw的特性阻抗z0与目标衰减量a，来计算经典的表贴电阻π型衰减器的中间电阻rs和接地电阻rh的阻值。由于改进的表贴电阻π型衰减器使用五个阻值均为rs′的电阻并联替代rs，因此每个并联电阻阻值rs′＝5·rs，同时两个接地电阻阻值保持不变，均为rh。本发明的工作原理是：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角正切。为了增加传播通道上的损耗，我们引入耗能元件-电阻。当电磁波在siw本体中传播的时候，被中间槽线隔断的siw表面结构将阻挡电磁波的继续传播，此时若在中间槽线两侧放置表贴电阻，就能在传播te1,0模的同时对信号进行一定程度的衰减。将经典的表贴电阻π型衰减器中间的串联电阻用五个并联电阻替换，每个电阻阻值为之前电阻阻值的五倍，同时两个接地电阻阻值保持不变，构成改进的表贴电阻π型衰减器。本发明使用此改进的表贴电阻π型衰减器以实现衰减功能。基于此设计思路得到的siw衰减器对应于1db、2db、3db、4db和5db衰减量时，其工作带宽为7.2-13.7ghz(62.2％)；相比于第一篇参考文献，其工作带宽获得了极大地拓展。综上所述，本发明极大地拓宽了全模基片集成波导衰减器的工作带宽。附图说明图1是本发明衰减器的正视图；图2是本发明衰减器的电阻排布图；图3是实施例的仿真s21参数曲线(0db，1db，2db，3db，4db，5db)；图4是实施例的仿真s11参数曲线(0db，1db，2db，3db，4db，5db)；图5是实施例的实测s21参数曲线(0db，1db，2db，3db，4db，5db)；图6是实施例的实测s11参数曲线(0db，1db，2db，3db，4db，5db)；附图标记：微带线-1，渐变线-2，siw本体-3，贴片电阻-4，中间槽线-5，匹配通孔-6，过渡结构-7，接地通孔-8。具体实施方式依据前述提及的基于表贴电阻的siw衰减器，实现在rt/duroid5880的介质基片上，其相对介电常数为2.2，损耗角正切为0.0009，厚度为0.508mm。所有贴片电阻均选择0402封装的电阻，跨越中间槽线中有5个相同阻值的并联电阻，位于中间槽线中心的电阻的两端各有一个接地电阻。经过电磁仿真软件ansofthfss进行仿真并优化后，获得了最佳的参数尺寸，具体如下表所示：参数尺寸(mm)ws16ls32.4match_d1.75wm1.56lm5wt4.4lt4.8gap_l12.1gap_w0.5kon_l1kon_w1.5ground_l1ground_w0.7hole_d0.3res_l2.25a7.1b1h0.508根据上面的仿真尺寸，得到仿真结果如图3、4：衰减量rs′rhs21(db)s11(db)频段(ghz)相对带宽0db0.1ω10kω0.31±0.11≤-15.336.8-16.382.3％1db12ω360ω1.61±0.26≤-15.476.9-16.481.5％2db24ω180ω2.76±0.32≤-15.427-16.379.8％3db36ω120ω3.72±0.43≤-14.997.1-16.378.6％4db51ω91ω4.52±0.58≤-15.067.2-16.276.9％5db62ω75ω5.1±0.74≤-14.977.3-16.175.2％仿真结果表明，基于表贴电阻的siw衰减器在7.3-16.1ghz的工作频段内(相对带宽75.2％)，其固有插损为0.31±0.11db，当电阻取值分别对应1db，2db，3db，4db，5db衰减时，分别对应的衰减量为1.61±0.26、2.76±0.32、3.72±0.43、4.52±0.58db和5.1±0.74db。从仿真的结果可知，衰减器的相对带宽得到了极大的拓展，且衰减特性与驻波满足要求，说明本发明对带宽的拓展具有很大的优势。根据仿真的物理尺寸，制作了pcb印制板，并进行实测，实测结果如图5、6：衰减量rs′rhs21(db)s11(db)频段(ghz)相对带宽0db0.1ω10kω0.67±0.4≤-12.46.8-13.767.3％1db12ω360ω2.2±0.5≤-12.86.9-13.967.3％2db24ω180ω3.4±0.45≤-137-14.167.3％3db36ω120ω4.2±0.36≤-12.67.1-14.166％4db51ω91ω5.13±0.45≤-12.67.1-13.964.8％5db62ω75ω5.72±0.66≤-12.37.2-14.265.4％实测结果表明，基于表贴电阻的宽带siw衰减器在7.2-13.7ghz的工作频段内(相对带宽62.2％)，其固有插损为0.67±0.4db，当电阻取值分别对应1db，2db，3db，4db，5db衰减时，分别对应的衰减量为2.2±0.5db、3.4±0.45db、4.2±0.36db、5.13±0.45db和5.72±0.66db。相比于第一篇参考文献中siw衰减器获得的32％的相对带宽，本发明的相对带宽有了接近一倍的提高。当前第1页12