E 波段集成雙工-功分器的設(shè)計(jì)

余 亮 ，張 健 ，孫朋飛 ，張 偉

（1.杭州電子科技大學(xué) 電子信息學(xué)院，浙江 杭州 310000；2.武漢大學(xué) 電子信息學(xué)院，湖北 武漢 430000）

0 引言

毫米波無線通信系統(tǒng)容易遭受高路徑損耗和大氣吸收，并且容易受到天氣條件和降水的影響[1]。然而，在E 波段（71～76 GHz 和81～86 GHz）存在一個(gè)大氣窗口，其大氣衰減較低，這使E 波段成為各國的研究熱點(diǎn)。

雙工器和功分器是通信系統(tǒng)中不可或缺的兩個(gè)器件。雙工器的常見設(shè)計(jì)方法有基于T 型匹配網(wǎng)絡(luò)[2-4]、基于分布式耦合[5-7]、基于共用諧振器[8-11]。現(xiàn)有一種有助于改善系統(tǒng)性能和減小尺寸的新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是將功分器集成在雙工器內(nèi)部[12]。

本文將用脊波導(dǎo)帶通濾波器來設(shè)計(jì)E 波段集成雙工-功分器。首先介紹了階梯矩脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，然后介紹了基于消失模的脊波導(dǎo)帶通濾波器的原理和脊波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)過程，并介紹脊波導(dǎo)功分器的設(shè)計(jì)，最后對(duì)雙工-功分器進(jìn)行了仿真和實(shí)測。

1 階梯矩脊波導(dǎo)過渡的設(shè)計(jì)

為了使設(shè)計(jì)的雙工-功分器能與標(biāo)準(zhǔn)器件對(duì)接，在4 個(gè)端口設(shè)計(jì)了多級(jí)階梯矩脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)。

多級(jí)階梯矩脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。矩形波選用標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)WR-12（a=3.1 mm，b=1.55 mm），單脊波導(dǎo)的尺寸選取需要滿足截止頻率小于帶通濾波器通帶邊緣的頻率，一般留有10%～20%的余量，這里設(shè)置單脊波導(dǎo)寬度wr1=1.8 mm，高度hr1=1 mm，金屬脊高度hra1=0.5 mm，寬度wra1=0.4 mm。單脊波導(dǎo)的截止頻率約為60 GHz，滿足要求。矩形波導(dǎo)與單脊波導(dǎo)之間采用多級(jí)階梯來實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，每節(jié)階梯的長度相等（lra4=lra3=lra2=1.1 mm）。由于矩形波導(dǎo)與脊波導(dǎo)存在高度差，將每段脊波導(dǎo)高度和寬度依次減小，并且將每段金屬脊的寬度依次減小，高度依次增加，來實(shí)現(xiàn)矩形波導(dǎo)與脊波導(dǎo)之間良好的匹配。

圖1 階梯矩脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)過渡結(jié)構(gòu)

在HFSS 對(duì)矩脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真優(yōu)化，最后仿真結(jié)果如圖2 所示，在71～86 GHz 波段，S11 小于-27.6 dB，S21 大于-0.01 dB，實(shí)現(xiàn)了良好的匹配。

圖2 矩脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2 脊波導(dǎo)帶通濾波器的設(shè)計(jì)

消失模是指當(dāng)傳輸電磁波的頻率小于截止頻率，波導(dǎo)中能量類似于處于無傳輸狀態(tài)，只有一定程度的存儲(chǔ)，而電磁波的波動(dòng)現(xiàn)象消失的狀態(tài)[13]。

處于消失模狀態(tài)的波導(dǎo)部分可以等效為“π”型電感網(wǎng)絡(luò)。單脊波導(dǎo)可以等效為容性網(wǎng)絡(luò)?；谙５臑V波器的等效電路模型如圖3 所示?；谙５募共▽?dǎo)濾波器有插入損耗低、結(jié)構(gòu)緊湊、通帶寬及阻帶寬等優(yōu)勢[13]。

圖3 基于消失模的帶通濾波器的等效電路模型

綜合考慮阻帶抑制和尺寸，本文選用7 階帶通濾波器。使用couplefil 綜合出81～86 GHz 帶通濾波器的耦合系 數(shù)（KS，1=K1，S=0.084；K1，2=K2，1=0.070；K2，3=K3，2=0.050；K3，4=K4，3=0.047）。圖4 中t1～t8為消失模波導(dǎo)長度，l1～l7為金屬脊長度，We和wr1分別為消失模波導(dǎo)寬度和脊波導(dǎo)寬度。由于結(jié)構(gòu)對(duì)稱，只列出部分?jǐn)?shù)據(jù)，其中l(wèi)2=l3=l4。諧振器間耦合強(qiáng)度與消失模的寬度和耦合長度有關(guān)。通過調(diào)整消失模的耦合長度和寬度來滿足耦合系數(shù)。調(diào)整消失模波導(dǎo)的寬度使截止頻率大于濾波器通帶的上邊緣[14]。經(jīng)過優(yōu)化后的濾波器所有參數(shù)的值在表1 中列出。71～76 GHz的脊波導(dǎo)帶通濾波器設(shè)計(jì)也是類似的，不再進(jìn)行闡述。

表1 脊波導(dǎo)帶通濾波器參數(shù)表

圖4 脊波導(dǎo)帶通濾波器

脊波導(dǎo)帶通濾波器在HFSS 仿真結(jié)果如圖5 所示，在71～76 GHz 頻段，S11 小于-19.5 dB，S21 大于-0.05 dB；在81～86 GHz 頻段，S11 小于-21.1 dB，S21 大于-0.03 dB。

圖5 脊波導(dǎo)帶通濾波器仿真結(jié)果

3 脊波導(dǎo)功分器的設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的單脊波導(dǎo)功分器的結(jié)構(gòu)如圖6 所示，結(jié)構(gòu)類似于T 形結(jié)，在交匯處設(shè)置一個(gè)容性金屬平板，將脊波導(dǎo)內(nèi)的感性金屬脊延伸到容性的金屬平板內(nèi)構(gòu)成阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)[15]。使兩邊金屬脊的延伸長度相等（ex2=ex3），即可以實(shí)現(xiàn)兩輸出端口功率平分。通過調(diào)整金屬平板的寬度pw和高度hr3以及金屬脊的延伸長度可以實(shí)現(xiàn)良好的匹配。

圖6 脊波導(dǎo)功分器結(jié)構(gòu)

優(yōu)化后的脊波導(dǎo)功分器參數(shù)為：pw=2.16 mm，hr3=0.21 mm，ex1=ex2=ex3=0.3 mm。仿真結(jié)果如圖7 所示，在71～86 GHz內(nèi)，S11 小于-30 dB，S21=S31=-3.05 dB。

圖7 脊波導(dǎo)功分器仿真結(jié)果

4 雙工-功分器的仿真和實(shí)測結(jié)果

雙工-功分器的結(jié)構(gòu)如圖8 所示，將設(shè)計(jì)好的兩個(gè)帶通濾波器通過功分器連接起來。端口1 為下行通道（81～86 GHz），端口2 為上行通道（71～76 GHz），端口3 和端口4 為功分輸出端口。

圖8 雙工-功分器的結(jié)構(gòu)

最后，在HFSS 進(jìn)行仿真優(yōu)化，最后得到的仿真結(jié)果如圖9 所示。在71～76 GHz 和81～86 GHz，回波損耗大于12.5 dB，通道間的隔離度大于43.2 dB。3 端口和4 端口輸出幅度基本一致，在81～86 GHz，S31 和S41 基本維持在-3.85 dB 左右；在71～76 GHz，S32 和S42 基本維持在-3.8 dB 左右。

圖9 雙工-功分器仿真結(jié)果

對(duì)雙工-功分器進(jìn)行加工，腔體材料采用鋁，實(shí)物如圖10 所示，尺寸為62 mm×27 mm×22 mm。用思儀的3672E 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)實(shí)物進(jìn)行測試，仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果比較如圖11 所示。從圖中可以看出實(shí)際測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，實(shí)際測試的兩通道間隔離度大于41.5 dB，在81～86 GHz，S31 和S41 基本維持在-5.01 dB左右；在71～76 GHz，S32 和S42 基本維持在-4.95 dB 左右。

圖10 雙工-功分器實(shí)物圖

圖11 仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果比較

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一種E 波段集成雙工-功分器，用HFSS進(jìn)行建模仿真，仿真結(jié)果表明兩功分輸出端口的幅度基本一致，各通道回波損耗大于12.5 dB，通道間的隔離度大于43.2 dB。實(shí)際測試的結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，表明方案的可行性。后續(xù)可以將其用在天線的饋電網(wǎng)絡(luò)中，做成雙工天線減少通信系統(tǒng)尺寸。