基于SIGW的T型功分器

項(xiàng)猛 申東婭 王珂

【摘? 要】提出了一種SIGW的T型功分器。采用微帶T型一分四功分器的原理，設(shè)計(jì)了微帶功分器加載于SIGW結(jié)構(gòu)上，實(shí)現(xiàn)四路功率分配，使用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，在S11參數(shù)-20 dB以下的頻段為27.2 GHz—31.2 GHz，傳輸參數(shù)S21、S31、S41、S51都在-6.7 dB左右。

【關(guān)鍵詞】SIGW;T型功分器;四功分;HFSS

1? ?引言

功率分配器的性能直接影響整個(gè)系統(tǒng)能量的分配效率。隨著5G一些毫米波頻段的發(fā)布，高頻天線、高頻濾波器等器件不斷發(fā)展，對(duì)高頻功分器的要求也越來越高。傳統(tǒng)微帶傳輸線功分器（如威爾金森、分支線電橋、環(huán)形電橋等），品質(zhì)因數(shù)低、易實(shí)現(xiàn)寬帶，但其具有損耗大、功率容量小等缺點(diǎn)，且存在平面/非平面集成問題，制作成本高、工藝復(fù)雜。

因此，需要適用于毫米波通信的功分器?；刹▽?dǎo)（SIW， Substrate Integrated Waveguide）能夠?qū)崿F(xiàn)毫米波應(yīng)用的平面化和集成化，傳輸損耗低。文章設(shè)計(jì)了一款基于SIW的功分器[6]，用HFSS仿真設(shè)計(jì)了Ka波段的SIW功分器，利用SIW的腔體進(jìn)行功率分配，實(shí)際測試結(jié)果表明其在毫米波頻段具有良好的性能。

2012年，E Pucci等學(xué)者提出了印刷脊槽波導(dǎo)（PRGW， Printed Ridge Gap Waveguide）[1]。2016年，張晶等學(xué)者提出將空氣間隙替換為介質(zhì)板，稱為基片集成間隙波導(dǎo)（SIGW， Substrate Integrated Gap Waveguide）[2]，從而獲得更穩(wěn)定的間隙高度和更好的性能。從此，無源器件包括天線和濾波器等被陸續(xù)提出[3-5]。本文提出了一種SIGW功分器，利用T型功分器的理論設(shè)計(jì)了SIGW功分器。

2? ?SIGW功分器結(jié)構(gòu)

SIGW功分器由三層PCB構(gòu)成（如圖1），其上層PCB外側(cè)全覆銅形成PEC（Perfect Electric Conductor，理想電導(dǎo)體），內(nèi)側(cè)則印刷功分器微帶線;其底層PCB上全部印制蘑菇狀周期結(jié)構(gòu)以構(gòu)成PMC（Perfect Magnetic Conductor，理想磁導(dǎo)體）;特別地，在上層和底層還加入了一塊空白介質(zhì)板（中間層）來隔斷上層和底層，微帶線可以很靈活地布局，不必?fù)?dān)心受到周期結(jié)構(gòu)制約。當(dāng)這種SIGW工作時(shí)，準(zhǔn)TEM波會(huì)沿著微帶線在微帶線與PEC之間的介質(zhì)基板內(nèi)傳播，這種工作模式和介質(zhì)埋藏的微帶線十分類似。PEC和PMC之間會(huì)產(chǎn)生EBG（Electromagnetic Band-Gap，電磁帶隙）以阻止波在其他方向上的傳播，以保證沿微帶線的準(zhǔn)TEM波傳播。

對(duì)周期性結(jié)構(gòu)進(jìn)行PMC設(shè)計(jì)，使工作頻段落在EBG結(jié)構(gòu)的工作頻段內(nèi)。使用仿真軟件CST的本征模求解方式求得該EBG結(jié)構(gòu)的色散曲線（如圖2），根據(jù)色散曲線仿真結(jié)果可以觀測到其第一個(gè)阻帶位于20 GHz～34 GHz附近。所以可在該頻段內(nèi)進(jìn)行功分器設(shè)計(jì)。

3? ?設(shè)計(jì)過程

根據(jù)微帶功分器的理論設(shè)計(jì)及計(jì)算，上、中、下三層板材采用Rogers5880，厚度分別為0.508 mm、0.254 mm和0.787 mm，先設(shè)計(jì)了基于SIGW的二功分器。圖3為基于SIGW的T型二功分器，圖4為基于SIGW的T型二功分器性能。

圖4結(jié)果顯示，S11參數(shù)-20 dB以下的頻段為23.3GHz～28.7 GHz，插入損耗S21=S31=-3.7 dB。在仿真優(yōu)化過程中，得出的結(jié)論為：匹配段的寬度和長短對(duì)阻抗匹配影響最大，但是拐角處和不連續(xù)段之間的過渡微帶部分也會(huì)影響阻抗匹配。在高頻時(shí)，加入SIGW結(jié)構(gòu)，大大降低了傳輸過程中的損耗。

根據(jù)以上規(guī)律，繼續(xù)進(jìn)行基于SIGW的四功分器設(shè)計(jì)。圖5為基于SIGW四功分器性能，圖6為微帶功分器性能（相同尺寸）。

圖5和圖6結(jié)果顯示，S11參數(shù)-15 dB以下的頻段為25 GHz～25.6 GHz，在頻點(diǎn)25.3 GHz能達(dá)到-25 dB，但傳輸參數(shù)S21、S31、S41、S51都在-7 dB左右（如不考慮損耗，理論應(yīng)在-6 dB）。由此說明，在高頻時(shí)，加入SIGW結(jié)構(gòu)，大大降低了傳輸過程中的損耗。雖然在以上對(duì)比中說明了加載SIGW的優(yōu)勢(shì)，但是帶寬太窄仍然是一個(gè)問題，所以需要繼續(xù)進(jìn)行改進(jìn)。

4? ?優(yōu)化改進(jìn)

分別對(duì)匹配段的寬度和匹配段的長度進(jìn)行參數(shù)掃描，如圖7和圖8所示。

從圖7和圖8中可以看出，匹配段的寬度對(duì)頻率和帶寬的影響不大，但是對(duì)阻抗有一定的影響。為了使S11參數(shù)更好，選取W2=2.49 mm。匹配段的長度對(duì)工作頻點(diǎn)影響比較大，且對(duì)S11參數(shù)也有很大的影響，綜合考慮，選取d=1.9 mm。

不斷地進(jìn)行嘗試對(duì)比，將微帶線下方的蘑菇結(jié)構(gòu)去掉（如圖9）能大大改善帶寬性能，圖10中仿真結(jié)果顯示：S11參數(shù)-20 dB以下的頻段為27.2 GHz～31.2 GHz，傳輸參數(shù)S21、S31、S41、S51都在-6.7 dB左右。

5? ?結(jié)束語

本設(shè)計(jì)提出了一種基于SIGW的T型功分器實(shí)現(xiàn)四路功分器結(jié)構(gòu)。解決了傳統(tǒng)功分器在高頻時(shí)損耗大，平面/非平面集成的問題。通過HFSS仿真軟件對(duì)該結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真優(yōu)化可知該結(jié)構(gòu)高頻性能優(yōu)異，回波損耗均小于-20 dB，傳輸損耗小于0.7 dB。本結(jié)構(gòu)可應(yīng)用于部分高頻功率分配等領(lǐng)域的產(chǎn)品設(shè)計(jì)。

參考文獻(xiàn)：

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