宽带高隔离度SIW功分器设计

摘要：介绍了一种新型高隔离度宽带介质集成功分器。该功分器的顶层金属上设计了三个蝶形的辐射缝隙用以增强SIW（基片集成波

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关键字：SIW；功分器；回波损耗；隔离度

DOI：10.3969/j.issn.1005-5517.2015.10.010

基金项目：2014年度中国博士后科学基金（资助编号2014M552337）

张登辉（1991-），硕士，研究方向：微波无源器件研究。彭浩，博士后，研究方向：毫米波微波电路与系统。

引言

金属波导器件已经被广泛的运用在微波毫米波通信系统中，但是它们的低集成度和高生产成本阻碍了进一步应用。基片集成波导（SIW）由于它具有高Q值、高集成度和易于加工的特性.并能方便的实现与微带线，共面波导等平面传输线的集成，已成为微波无源器件研究的新方向。目前，在功分器、滤波器和耦合器等无源器件的设计中运用该技术已经显示出了SIW相比较于金属波导的优越特性。本文运用三维电磁仿真软件设计了一个新型结构的Ku波段基片集成波导功分器，实测结果表明该结构的功分器具有较好的性能。

功分器原理介绍

本文将具有滤波功能的碟形结构和魔T平面化电场匹配臂运用到这一新型功分器上。该功分器的滤波结构通过在SIW器件顶层蚀刻出放射槽来实现，如图1所示。这一蝶形结构被用来增强频率选择性，显著的减少了回波损耗[1]。在提高隔离度方面，通常通过在输出端口间插入隔离电阻来实现，但该方法一般只适用于微带线结构。魔T结构的各端口之间有着很好的隔离特性，但是其波导的结构使其占用体积过大，将这一结构平面化后用于SIW功分器的设计，在输出端口间取得了较高的隔离度[2]，如图2所示。同时，为了减少信号在传输过程中的损失，在输入输出端口均采用了微带到SIW的过渡设计[3]。

由文献[4]可知，SIW功分器的截止频率由以下公式决定：

公式中（1）中fe是功分器截止频率，Weff是SIW器件工作的等效矩形波导宽度，W则是SIW器件的物理宽度。D和P分别是金属通孔的直径和孔间距。C是光在真空中的速度，εr是介质的相对介电常数。

功分器的实现

本文设计的SIW功分器布局如图3所示。由于SIW结构具有高通特性，而电磁狭缝带隙结构具有阻带的特性，因此用一个周期性的蝶形辐射结构被刻蚀在SIW的顶层去实现这一滤波响应[5]。影响这一特性的主要有碟形缝隙之间的距离LR，碟形两端扇形的半径r，弧度角θ，以及连接上下两个扇形的缝隙长条，其高为g，宽度为S。这些参数通过电磁仿真进行优化，从而得到最好的带外抑制。

为了减小回波损耗，设计中运用到了T形结结构[6]，即在模型设计中增加了通孔post1，其位置位于输入端口的中心线上，距离右边SIW阵列的距离是Lp，孔的直径为D，与SIW通孔的大小相同[7]。为了增加流向port2和port3的信号，将信号分流处的两边均采用了倾斜的SIW通孔阵列。

图2中已经说明了将魔T结构用于高隔离度功分器设计的过程。传统波导魔T的三个H面电臂能够等效为三个SIW传输结构，然而它仍然不是平面结构。由于设计的目的是为了实现一个三端口的功分器，E面臂上必须加上一个匹配的负载，这一匹配负载则是由楔形尖劈来实现，不同等高层面代表了不同的电阻值，因此通过将电阻的阻值应当是从中间往两边逐渐减小的方式来模拟这一变化过程。具体在SIW上实现如图4所示，首先在顶部的金属导体上蚀刻出一段槽缝，然后将一系列电阻沿着电场方向连接在槽缝上。由于通孔post1的存在，将这一槽缝分割为post1左右两个部分。通过在HFSS中将这些电阻设置为理想的RLC电阻元件进行优化仿真，并考虑到实际厂家可提供的电阻阻值，最终得到port2和port3之间的隔离度较好时的电阻值由Rl到R4分别为100Ω，300Ω，510Ω，1000Ω，R5，R6，R7的阻值则和R1，R2，R3对应。功分器的几何尺寸如表1所示，实物如图5所示，左边为功分器正面图，右边为功分器背面图。

仿真与实物测试结果

本文功分器采用的介质为RogersRT/duroid 5880，其介电常数为2.2，损耗正切角为0.0009，厚度为20mil。工作频段为Ku波段。实物采用Rohde&Schwarz ZNC网络分析仪进行测试。图6给出了功分器S11和S31的仿真和测试结果。由仿真曲线可以看到，在13.5GHz到18GHz之间，输入端反射系数S11均小于-15dB，在12GHz到19GHz处，传输系数S21在-3.5dB到-4.6dB之间。测试曲线Sll在13.5GHz到18.5GHz之间均小于-13.4dB，S21在13GHz到18GHz之间的值处于-3.5dB到-4.8dB之间。图7给出了输出端口隔离S32和输出端回波损耗S33的仿真及测试曲线。有仿真曲线可以看到S32在12.5GHz到18.5GHz之间在-15dB以下，S33在14GHz到18.5GHz之间在-12.5dB以下。由测试曲线可以看到S32在12.5GHz到18GHz之间小于-12.5GHz，S33在13.8GHz到18.7GHz之间小于-10dB。输入输出端口的回波损耗大于15dB部分占到了40%带宽。由于实测时通过同轴端口与微带-SIW过渡端口与功分器信号输入输出端相连，因此与仿真结果相比，实物测试结果中的各项指标有小的偏差。

图8给出了在没有平面魔T结构情况下对功分器的仿真得到的S11，S31，S32，S33仿真曲线，可以看到输出端口的隔离度S32和输出端回波损耗S33均退回到较差的水平，而由于碟形结构的存在，S11在中心频率处则表现出很强的选择性。对比图7可知，平面魔T结构在本设计中表现出了其高隔离度的特性。

结论

本文采用蝶形滤波结构及平面魔T结构实现了宽带SIW功分器的设计。该功分器的输入输出端口均具有较低的回波损耗，同时输出两端口之间还具有良好的隔离度，达到了预期的设计目的。

参考文献：

[1]S.Y. Chen， D.S. Zhang and Y.T. Yu， 'Wideband SIW power divider with improved out-of-band rejection，' ELECTRONICS LETTERS， 2013，49（15）：943-944

[2]K. Sarhadi M Shahabadi， 'Wideband substrate integrated waveguide power splitter with high isolation，' ET Microw. Antennas Propag， 2010， 4（7）：817-821

[3]SOTOODEH Z， BIGLARBEGIAN B， KASHANl F.H， AMERIH， 'A novel bandpass waveguide filter structure on SIW technology，' PIERL， 2008，2：141-148

[4]Cassivi Y， Perregrini L， Arcioni P，et al， 'Dispersion Characteristics of Substrate Integrated rectangular Waveguide[J]， IEEE.Microwave Wireless Compon. lett， 2002，9（12）：333-335

[5]Tan， B.T， and Yu， J.J， 'Investigation into broadband PBG using a butterfly-radial slot （BRS），' IEEE MTT-S Int Microwave Symp. Dig， Philadelphia， PA， USA， 2003，21107-1110

[6]YANG S， FATHY A.E， 'Synthesis of an arbitrary power split radio divider uslng substrate integrated waveguldes，' Proc. IEEE MTT-S Int Microw. Symp， 2007：427-430

[7]邓磊，唐高第，基片集成波导仿真设计，信息与电子工程，2008，6（2）：79-82