基于HFSS的Ku波段SMT微带环行器仿真设计

◎杨雷 罗会安

基于HFSS的Ku波段SMT微带环行器仿真设计

◎杨雷 罗会安

本文通过HFSS对Ku波段微带环行器进行了微波特性的仿真，成功设计优化了一种 Ku 波段宽带小型化SMT微带环行器，该环行器带宽达到 30%，插损＜0.7dB, 隔离＞18dB, 驻波＜1.35。

随着移动通讯技术的发展，电子银行，电子教学和电子医疗等核心服务将继续普及并更具移动性，社会发展将带来移动和无线流量的激增，预计在未来的十年中将增加一千倍。为了达到高速传输的目的，许多国家已开展第五代移动通讯相应研究,而采用多天线自适应波束赋形技术的小型基站已能达到1Gbps的传输速率，为了达到共用天线并把收发信号隔离，大量需求适合自动化安装工艺的表贴小型化环行器。而铁氧体微带环行器具有集成度高、体积小、电气性能优良、可靠性高等优点，若能进行表面贴装将非常适合第五代移动通讯技术。本文主要设计一种Ku波段SMT微带环行器

理论分析

微带环行器分析

为了达到带宽的要求，本设计采用Mg-Mn系铁氧体为基材。

主要的材料参数为：饱和磁化强度：4πMs ＝2500Gs ，介电常数：εr=13，介质损耗： tanδ=2＊10-4

微带环行器的设计和带线环行器基本一致，但是微带环行器由于体积小，带宽要求高，为了解决这两个问题，我们可以采用双Y加圆盘结，并采用圆盘辐射状突起，这种结构在缩小谐振子的尺寸起到了积极作用。

本次设计将采用这种谐振子形式，再通过匹配达到增加带宽的作用，理论上带宽能扩至60%。

运用以上的方案进行微带环行器的设计，将铁氧体材料的相关参数代入，在HFSS中进行仿真计算。图1为单结微带环行器的建模图。

图1 单结环行器建模图

图2 优化计算后单结环行器的S参数图

优化计算后单结环行器的S参数曲线图（图2），从中可以看出带宽可达37%。

关于过孔分析计算

一般的微带环行器都是微带出口，并需要在载板上挖出一个与环行器尺寸相同的槽，端口与组件相连一般采用键合方式，需要专业键合设备，为了简化装配流程及提高效率，进行大面积贴装是大势所趋，为了尽可能还原环行器本身性能，对金属化过孔进行了设计，设计了如图3结构形式的过孔：

图3 金属化过孔建模图

通过优化设计，反射系数性能（图4）已达-24dB。

合并

图4 金属化过孔性能

对以上环行器和金属化过孔进行合并处理，并进行优化仿真如图5。

图5 SMT微带环行器建模图

通过优化相关尺寸后得到性能曲线如下如图6：

图6 SMT微带环行器仿真优化后曲线

此模型在Ku波段环行性能良好，并进行实物制备。

样件制备测试

通过磁控溅射工艺在铁氧体基片上进行电路制备，加装磁屏蔽罩，最终尺寸为（8mm×9mm×4mm），并进行测试。

图7 SMT微带环行器外形及测试方式

通过对实物进行测试，曲线如图8：

环行器带宽达到 30%，插损＜0.7dB,隔离＞18dB, 驻波＜1.35，环行性能良好

图8 SMT微带环行器测试曲线

本文阐述了SMT微带环行器设计方法，并基于所设计的环行器结构，制作并测试了该环行器。结果表明此SMT微带环行器在Ku波段内具有良好的环行性能，在工艺上能适应大批量贴装要求。

(作者单位：南京国睿微波器件有限公司)