基于SIGW的T型功分器

项猛 申东娅 王珂

【摘  要】提出了一种SIGW的T型功分器。采用微带T型一分四功分器的原理，设计了微带功分器加载于SIGW结构上，实现四路功率分配，使用三维电磁仿真软件Ansoft HFSS对该结构进行参数优化。仿真结果表明，在S11参数-20 dB以下的频段为27.2 GHz—31.2 GHz，传输参数S21、S31、S41、S51都在-6.7 dB左右。

【关键词】SIGW;T型功分器;四功分;HFSS

1   引言

功率分配器的性能直接影响整个系统能量的分配效率。随着5G一些毫米波频段的发布，高频天线、高频滤波器等器件不断发展，对高频功分器的要求也越来越高。传统微带传输线功分器（如威尔金森、分支线电桥、环形电桥等），品质因数低、易实现宽带，但其具有损耗大、功率容量小等缺点，且存在平面/非平面集成问题，制作成本高、工艺复杂。

因此，需要适用于毫米波通信的功分器。基片集成波导（SIW， Substrate Integrated Waveguide）能够实现毫米波应用的平面化和集成化，传输损耗低。文章设计了一款基于SIW的功分器[6]，用HFSS仿真设计了Ka波段的SIW功分器，利用SIW的腔体进行功率分配，实际测试结果表明其在毫米波频段具有良好的性能。

2012年，E Pucci等学者提出了印刷脊槽波导（PRGW， Printed Ridge Gap Waveguide）[1]。2016年，张晶等学者提出将空气间隙替换为介质板，称为基片集成间隙波导（SIGW， Substrate Integrated Gap Waveguide）[2]，从而获得更稳定的间隙高度和更好的性能。从此，无源器件包括天线和滤波器等被陆续提出[3-5]。本文提出了一种SIGW功分器，利用T型功分器的理论设计了SIGW功分器。

2   SIGW功分器结构

SIGW功分器由三层PCB构成（如图1），其上层PCB外侧全覆铜形成PEC（Perfect Electric Conductor，理想电导体），内侧则印刷功分器微带线;其底层PCB上全部印制蘑菇状周期结构以构成PMC（Perfect Magnetic Conductor，理想磁导体）;特别地，在上层和底层还加入了一块空白介质板（中间层）来隔断上层和底层，微带线可以很灵活地布局，不必担心受到周期结构制约。当这种SIGW工作时，准TEM波会沿着微带线在微带线与PEC之间的介质基板内传播，这种工作模式和介质埋藏的微带线十分类似。PEC和PMC之间会产生EBG（Electromagnetic Band-Gap，电磁带隙）以阻止波在其他方向上的传播，以保证沿微带线的准TEM波传播。

对周期性结构进行PMC设计，使工作频段落在EBG结构的工作频段内。使用仿真软件CST的本征模求解方式求得该EBG结构的色散曲线（如图2），根据色散曲线仿真结果可以观测到其第一个阻带位于20 GHz～34 GHz附近。所以可在该频段内进行功分器设计。

3   設计过程

根据微带功分器的理论设计及计算，上、中、下三层板材采用Rogers5880，厚度分别为0.508 mm、0.254 mm和0.787 mm，先设计了基于SIGW的二功分器。图3为基于SIGW的T型二功分器，图4为基于SIGW的T型二功分器性能。

图4结果显示，S11参数-20 dB以下的频段为23.3GHz～28.7 GHz，插入损耗S21=S31=-3.7 dB。在仿真优化过程中，得出的结论为：匹配段的宽度和长短对阻抗匹配影响最大，但是拐角处和不连续段之间的过渡微带部分也会影响阻抗匹配。在高频时，加入SIGW结构，大大降低了传输过程中的损耗。

根据以上规律，继续进行基于SIGW的四功分器设计。图5为基于SIGW四功分器性能，图6为微带功分器性能（相同尺寸）。

图5和图6结果显示，S11参数-15 dB以下的频段为25 GHz～25.6 GHz，在频点25.3 GHz能达到-25 dB，但传输参数S21、S31、S41、S51都在-7 dB左右（如不考虑损耗，理论应在-6 dB）。由此说明，在高频时，加入SIGW结构，大大降低了传输过程中的损耗。虽然在以上对比中说明了加载SIGW的优势，但是带宽太窄仍然是一个问题，所以需要继续进行改进。

4   优化改进

分别对匹配段的宽度和匹配段的长度进行参数扫描，如图7和图8所示。

从图7和图8中可以看出，匹配段的宽度对频率和带宽的影响不大，但是对阻抗有一定的影响。为了使S11参数更好，选取W2=2.49 mm。匹配段的长度对工作频点影响比较大，且对S11参数也有很大的影响，综合考虑，选取d=1.9 mm。

不断地进行尝试对比，将微带线下方的蘑菇结构去掉（如图9）能大大改善带宽性能，图10中仿真结果显示：S11参数-20 dB以下的频段为27.2 GHz～31.2 GHz，传输参数S21、S31、S41、S51都在-6.7 dB左右。

5   结束语

本设计提出了一种基于SIGW的T型功分器实现四路功分器结构。解决了传统功分器在高频时损耗大，平面/非平面集成的问题。通过HFSS仿真软件对该结构进行仿真优化可知该结构高频性能优异，回波损耗均小于-20 dB，传输损耗小于0.7 dB。本结构可应用于部分高频功率分配等领域的产品设计。

参考文献：

[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.

[4] D Shen， C Ma， W Ren， et al. A low-profile substrate integrated gap waveguide fed magnetoelectric dipole[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letters， 2018，17（8）： 1373-1376.

[5] M Dong， D Shen， X Zhang， et al. Substrate integrated gap waveguide bandpass filters with high selectivity and wide stopband[C]//2018 IEEE/MTT-S International Microwave Symposium. Philadelphia， PA， USA， 2018.

[6] 邓磊，唐高弟. 基片集成波导功分器仿真设计[J]. 信息与电子工程， 2008（4）.

[7] P S Kildal， E Alfonso， A Nogueira， et al. Local metamaterial-based waveguides in gaps between parallel metal plates[J]. IEEE Antennas Wireless Propagation Letters， 2009（8）： 84-87.

[8] 杨峥峥. 微带功分器的设计[J]. 船舶电子对抗， 2012，35（4）： 69-72.

[9] 黨章，邹涌泉，张玉兴，等. 一种新颖的Ku频段宽带波导功分器[J]. 电讯技术， 2007（6）： 106-108.

[10] 陈龙，张运. 新型Ka波段3 dB功分器设计[C]//2013四川省电子学术年会. 四川省电子学会， 2013.