基于SIGW的T型功分器

項猛 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，設計了微帶功分器加載于SIGW結構上，實現四路功率分配，使用三維電磁仿真軟件Ansoft HFSS對該結構進行參數優化。仿真結果表明，在S11參數-20 dB以下的頻段為27.2 GHz—31.2 GHz，傳輸參數S21、S31、S41、S51都在-6.7 dB左右。

【關鍵詞】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系統能量的分配效率。隨著5G一些毫米波頻段的發布，高頻天線、高頻濾波器等器件不斷發展，對高頻功分器的要求也越來越高。傳統微帶傳輸線功分器（如威爾金森、分支線電橋、環形電橋等），品質因數低、易實現寬帶，但其具有損耗大、功率容量小等缺點，且存在平面/非平面集成問題，制作成本高、工藝復雜。

因此，需要適用于毫米波通信的功分器。基片集成波導（SIW， Substrate Integrated Waveguide）能夠實現毫米波應用的平面化和集成化，傳輸損耗低。文章設計了一款基于SIW的功分器[6]，用HFSS仿真設計了Ka波段的SIW功分器，利用SIW的腔體進行功率分配，實際測試結果表明其在毫米波頻段具有良好的性能。

2012年，E Pucci等學者提出了印刷脊槽波導（PRGW， Printed Ridge Gap Waveguide）[1]。2016年，張晶等學者提出將空氣間隙替換為介質板，稱為基片集成間隙波導（SIGW， Substrate Integrated Gap Waveguide）[2]，從而獲得更穩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型功分器的理論設計了SIGW功分器。

2? ?SIGW功分器結構

SIGW功分器由三層PCB構成（如圖1），其上層PCB外側全覆銅形成PEC（Perfect Electric Conductor，理想電導體），內側則印刷功分器微帶線;其底層PCB上全部印制蘑菇狀周期結構以構成PMC（Perfect Magnetic Conductor，理想磁導體）;特別地，在上層和底層還加入了一塊空白介質板（中間層）來隔斷上層和底層，微帶線可以很靈活地布局，不必擔心受到周期結構制約。當這種SIGW工作時，準TEM波會沿著微帶線在微帶線與PEC之間的介質基板內傳播，這種工作模式和介質埋藏的微帶線十分類似。PEC和PMC之間會產生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TEM波傳播。

對周期性結構進行PMC設計，使工作頻段落在EBG結構的工作頻段內。使用仿真軟件CST的本征模求解方式求得該EBG結構的色散曲線（如圖2），根據色散曲線仿真結果可以觀測到其第一個阻帶位于20 GHz～34 GHz附近。所以可在該頻段內進行功分器設計。

3? ?設計過程

根據微帶功分器的理論設計及計算，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，先設計了基于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結果顯示，S11參數-20 dB以下的頻段為23.3GHz～28.7 GHz，插入損耗S21=S31=-3.7 dB。在仿真優化過程中，得出的結論為：匹配段的寬度和長短對阻抗匹配影響最大，但是拐角處和不連續段之間的過渡微帶部分也會影響阻抗匹配。在高頻時，加入SIGW結構，大大降低了傳輸過程中的損耗。

根據以上規律，繼續進行基于SIGW的四功分器設計。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結果顯示，S11參數-15 dB以下的頻段為25 GHz～25.6 GHz，在頻點25.3 GHz能達到-25 dB，但傳輸參數S21、S31、S41、S51都在-7 dB左右（如不考慮損耗，理論應在-6 dB）。由此說明，在高頻時，加入SIGW結構，大大降低了傳輸過程中的損耗。雖然在以上對比中說明了加載SIGW的優勢，但是帶寬太窄仍然是一個問題，所以需要繼續進行改進。

4? ?優化改進

分別對匹配段的寬度和匹配段的長度進行參數掃描，如圖7和圖8所示。

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

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

5? ?結束語

本設計提出了一種基于SIGW的T型功分器實現四路功分器結構。解決了傳統功分器在高頻時損耗大，平面/非平面集成的問題。通過HFSS仿真軟件對該結構進行仿真優化可知該結構高頻性能優異，回波損耗均小于-20 dB，傳輸損耗小于0.7 dB。本結構可應用于部分高頻功率分配等領域的產品設計。

參考文獻：

[1] E Pucci， E Iglesias， P S Kildal. New microstrip gap waveguide on mushroom-type EBG for packaging of microwave components[J]. IEEE Microwave Wireless Component Letters， 2012，22（3）： 129-131.

[2] J Zhang， X Zhang， D Shen. Design of substrate integrated gap waveguide[C]//2016 IEEE MTT-S International Microwave Symposium （IMS）. San Francisco， CA， USA， 2016： 1-4.

[3] Dongya Shen， Ke Wang， Xiupu Zhang. A Substrate Integrated Gap Waveguide Based Wideband 3-dB Coupler for 5G Applications[Z]. ACCESS， 2018.

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[10] 陳龍，張運. 新型Ka波段3 dB功分器設計[C]//2013四川省電子學術年會. 四川省電子學會， 2013.