Miniaturization Techniques of Substrate Integrated Waveguide Based on Multilayered Printed Circuit Board Platform

RESUMÉ Le guide d'ondes intégrées au substrat (GIS) est une structure à ondes guidées qui présente des avantages avec un facteur de qualité Q élevé et une excellente isolation ligne à ligne. La technique GIS a été largement utilisé dans la construction de composants passifs, tels que coupleurs, diviseurs, filtres, et déphaseurs. Certains dispositifs actifs ont également été développés avec facteur Q élevé et résonateurs en technologie GIS. En comparant à d'autres types de lignes de transmission planaire, le facteur de qualité Q important du GIS est une embouchure pour son intégration avec d'autres circuits classiques. Les techniques de miniaturisation du SIW sont donc devenues une urgence. Le travail dans cette thèse commence par l'examen et la discussion des techniques de miniaturisation existantes pour GIS, y compris les (ridge substrate integrated waveguide, RSIW), intégrés sur substrat à demi-mode (HMSIW) et les (folded substrata integrated waveguide, FSIW). L'impédance et la constante de propagation des lignes basées sur ces techniques de miniaturisation sont calculées en utilisant la méthode de résonance transversale (transverse resonant method, CRT). Bien que ces paramètres puissent être obtenus par des méthodes de simulation EM, un calcul rapide sera utile pour l'optimisation de la conception en utilisant l'analyse paramétrique. Une préoccupation particulière est axée sur la relation entre la constant d'atténuation et les paramètres géométriques. Les dimensions optimisées de chaque GIS miniaturisés sont proposés en se basant sur l'analyse paramétrique. Les paramètres de transmission de ces lignes de SIW miniaturisés peuvent être extraire en utilisant la méthode à double ligne. Sauf HMSIW, toutes les autres techniques de miniaturisation mentionnées ci-dessus pour la mise en œuvre de la plateforme multicouche. Parmi les techniques de fabrication diverses qui sont en mesure de fournir des substrats multicouches, le circuit imprimé multicouche est utilisé dans la conception des circuits rapportés dans cette thèse.

Abstract

Substrate integrated waveguide (SIW) is a guided-wave structure that enjoys the benefits of a high Q-factor and an excellent line-to-line isolation. SIW technique has been widely used in building passive components, such as couplers, dividers, filters, and phase shifters. Some active devices have also been developed with high Q-factor SIW resonators. Comparing to other types of planar transmission lines, the big form factor of SIW is a bottleneck for its integration with other conventional integrated circuits. Miniaturization techniques for SIW therefore become very urgent. The work in this dissertation starts with the review and discussion of existing miniaturization techniques for SIW, including ridge substrate integrated waveguide (RSIW), half-mode substrate integrated waveguide (HMSIW) and folded substrata integrated waveguide (FSIW). The impedance and propagation constant of the transmission lines based on these miniaturization techniques are calculated using transverse resonant method (TRM). Although these parameters can be extracted from full wave EM simulations, a fast computation be helpful in design optimization by using parametric analysis. One particular concern focuses on the relationship between attenuation constant and geometric parameters. Optimized dimensions of each miniaturized SIW are suggested based on the parametric analysis. The transmission line parameters of these miniaturized SIW transmission lines can be extracted using dual-line method. Except HMSIW, all other miniaturized techniques mentioned above need multilayer platform for implementation. Among various fabrication techniques which are able to provide multilayered substrate, multilayer printed circuit board is used in the design of the circuits reported in this dissertation. It is believed that the advantages of SIW circuit are important in millimeter wave applications, although the design might limit the operating frequency. Specifically, Rogers substrate R6002 is used in all our designs for proving the concepts investigated in this work. One principal step for using the SIW technology is to develop high-performance transitions and interconnects between substrate integrated circuits (SICs) and other types of transmission lines or circuits embedded in or surface mounted on the multilayer substrates. In this work, a novel transition between a microstrip line and an SIW in a multilayer substrate design environment is presented.