寬帶高隔離度SIW功分器設(shè)計(jì)

摘要：介紹了一種新型高隔離度寬帶介質(zhì)集成功分器。該功分器的頂層金屬上設(shè)計(jì)了三個(gè)蝶形的輻射縫隙用以增強(qiáng)SIW（基片集成波導(dǎo)）功分器的帶通特性。用耦合槽和電阻將魔T中的匹配電場(chǎng)臂平面化，將其用于該功分器來(lái)增強(qiáng)輸出端口間的隔離度。同時(shí)輸入與輸出端口均采用微帶到SIW的過(guò)渡結(jié)構(gòu)以減少回波損耗，使功分器在保持較好回波損耗的同時(shí)具有較高的輸出端口隔離度。詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)原理和仿真分析，對(duì)實(shí)物進(jìn)行了測(cè)試。本文網(wǎng)絡(luò)版地址：http：//www.eepw.com.cn/article/281886.htm

關(guān)鍵字：SIW；功分器；回波損耗；隔離度

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.010

基金項(xiàng)目：2014年度中國(guó)博士后科學(xué)基金（資助編號(hào)2014M552337）

張登輝（1991-），碩士，研究方向：微波無(wú)源器件研究。彭浩，博士后，研究方向：毫米波微波電路與系統(tǒng)。

引言

金屬波導(dǎo)器件已經(jīng)被廣泛的運(yùn)用在微波毫米波通信系統(tǒng)中，但是它們的低集成度和高生產(chǎn)成本阻礙了進(jìn)一步應(yīng)用?；刹▽?dǎo)（SIW）由于它具有高Q值、高集成度和易于加工的特性.并能方便的實(shí)現(xiàn)與微帶線，共面波導(dǎo)等平面?zhèn)鬏斁€的集成，已成為微波無(wú)源器件研究的新方向。目前，在功分器、濾波器和耦合器等無(wú)源器件的設(shè)計(jì)中運(yùn)用該技術(shù)已經(jīng)顯示出了SIW相比較于金屬波導(dǎo)的優(yōu)越特性。本文運(yùn)用三維電磁仿真軟件設(shè)計(jì)了一個(gè)新型結(jié)構(gòu)的Ku波段基片集成波導(dǎo)功分器，實(shí)測(cè)結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)的功分器具有較好的性能。

功分器原理介紹

本文將具有濾波功能的碟形結(jié)構(gòu)和魔T平面化電場(chǎng)匹配臂運(yùn)用到這一新型功分器上。該功分器的濾波結(jié)構(gòu)通過(guò)在SIW器件頂層蝕刻出放射槽來(lái)實(shí)現(xiàn)，如圖1所示。這一蝶形結(jié)構(gòu)被用來(lái)增強(qiáng)頻率選擇性，顯著的減少了回波損耗^[1]。在提高隔離度方面，通常通過(guò)在輸出端口間插入隔離電阻來(lái)實(shí)現(xiàn)，但該方法一般只適用于微帶線結(jié)構(gòu)。魔T結(jié)構(gòu)的各端口之間有著很好的隔離特性，但是其波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)使其占用體積過(guò)大，將這一結(jié)構(gòu)平面化后用于SIW功分器的設(shè)計(jì)，在輸出端口間取得了較高的隔離度^[2]，如圖2所示。同時(shí)，為了減少信號(hào)在傳輸過(guò)程中的損失，在輸入輸出端口均采用了微帶到SIW的過(guò)渡設(shè)計(jì)^[3]。

由文獻(xiàn)[4]可知，SIW功分器的截止頻率由以下公式?jīng)Q定：

公式中（1）中fe是功分器截止頻率，W_eff是SIW器件工作的等效矩形波導(dǎo)寬度，W則是SIW器件的物理寬度。D和P分別是金屬通孔的直徑和孔間距。C是光在真空中的速度，ε_r是介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

功分器的實(shí)現(xiàn)

本文設(shè)計(jì)的SIW功分器布局如圖3所示。由于SIW結(jié)構(gòu)具有高通特性，而電磁狹縫帶隙結(jié)構(gòu)具有阻帶的特性，因此用一個(gè)周期性的蝶形輻射結(jié)構(gòu)被刻蝕在SIW的頂層去實(shí)現(xiàn)這一濾波響應(yīng)^[5]。影響這一特性的主要有碟形縫隙之間的距離LR，碟形兩端扇形的半徑r，弧度角θ，以及連接上下兩個(gè)扇形的縫隙長(zhǎng)條，其高為g，寬度為S。這些參數(shù)通過(guò)電磁仿真進(jìn)行優(yōu)化，從而得到最好的帶外抑制。

為了減小回波損耗，設(shè)計(jì)中運(yùn)用到了T形結(jié)結(jié)構(gòu)^[6]，即在模型設(shè)計(jì)中增加了通孔post1，其位置位于輸入端口的中心線上，距離右邊SIW陣列的距離是Lp，孔的直徑為D，與SIW通孔的大小相同^[7]。為了增加流向port2和port3的信號(hào)，將信號(hào)分流處的兩邊均采用了傾斜的SIW通孔陣列。

圖2中已經(jīng)說(shuō)明了將魔T結(jié)構(gòu)用于高隔離度功分器設(shè)計(jì)的過(guò)程。傳統(tǒng)波導(dǎo)魔T的三個(gè)H面電臂能夠等效為三個(gè)SIW傳輸結(jié)構(gòu)，然而它仍然不是平面結(jié)構(gòu)。由于設(shè)計(jì)的目的是為了實(shí)現(xiàn)一個(gè)三端口的功分器，E面臂上必須加上一個(gè)匹配的負(fù)載，這一匹配負(fù)載則是由楔形尖劈來(lái)實(shí)現(xiàn)，不同等高層面代表了不同的電阻值，因此通過(guò)將電阻的阻值應(yīng)當(dāng)是從中間往兩邊逐漸減小的方式來(lái)模擬這一變化過(guò)程。具體在SIW上實(shí)現(xiàn)如圖4所示，首先在頂部的金屬導(dǎo)體上蝕刻出一段槽縫，然后將一系列電阻沿著電場(chǎng)方向連接在槽縫上。由于通孔post1的存在，將這一槽縫分割為post1左右兩個(gè)部分。通過(guò)在HFSS中將這些電阻設(shè)置為理想的RLC電阻元件進(jìn)行優(yōu)化仿真，并考慮到實(shí)際廠家可提供的電阻阻值，最終得到port2和port3之間的隔離度較好時(shí)的電阻值由Rl到R4分別為100Ω，300Ω，510Ω，1000Ω，R5，R6，R7的阻值則和R1，R2，R3對(duì)應(yīng)。功分器的幾何尺寸如表1所示，實(shí)物如圖5所示，左邊為功分器正面圖，右邊為功分器背面圖。

仿真與實(shí)物測(cè)試結(jié)果

本文功分器采用的介質(zhì)為RogersRT/duroid 5880，其介電常數(shù)為2.2，損耗正切角為0.0009，厚度為20mil。工作頻段為Ku波段。實(shí)物采用RohdeSchwarz ZNC網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行測(cè)試。圖6給出了功分器S11和S31的仿真和測(cè)試結(jié)果。由仿真曲線可以看到，在13.5GHz到18GHz之間，輸入端反射系數(shù)S11均小于-15dB，在12GHz到19GHz處，傳輸系數(shù)S21在-3.5dB到-4.6dB之間。測(cè)試曲線Sll在13.5GHz到18.5GHz之間均小于-13.4dB，S21在13GHz到18GHz之間的值處于-3.5dB到-4.8dB之間。圖7給出了輸出端口隔離S32和輸出端回波損耗S33的仿真及測(cè)試曲線。有仿真曲線可以看到S32在12.5GHz到18.5GHz之間在-15dB以下，S33在14GHz到18.5GHz之間在-12.5dB以下。由測(cè)試曲線可以看到S32在12.5GHz到18GHz之間小于-12.5GHz，S33在13.8GHz到18.7GHz之間小于-10dB。輸入輸出端口的回波損耗大于15dB部分占到了40%帶寬。由于實(shí)測(cè)時(shí)通過(guò)同軸端口與微帶-SIW過(guò)渡端口與功分器信號(hào)輸入輸出端相連，因此與仿真結(jié)果相比，實(shí)物測(cè)試結(jié)果中的各項(xiàng)指標(biāo)有小的偏差。

圖8給出了在沒(méi)有平面魔T結(jié)構(gòu)情況下對(duì)功分器的仿真得到的S11，S31，S32，S33仿真曲線，可以看到輸出端口的隔離度S32和輸出端回波損耗S33均退回到較差的水平，而由于碟形結(jié)構(gòu)的存在，S11在中心頻率處則表現(xiàn)出很強(qiáng)的選擇性。對(duì)比圖7可知，平面魔T結(jié)構(gòu)在本設(shè)計(jì)中表現(xiàn)出了其高隔離度的特性。

結(jié)論

本文采用蝶形濾波結(jié)構(gòu)及平面魔T結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了寬帶SIW功分器的設(shè)計(jì)。該功分器的輸入輸出端口均具有較低的回波損耗，同時(shí)輸出兩端口之間還具有良好的隔離度，達(dá)到了預(yù)期的設(shè)計(jì)目的。

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