基于HFSS15基片集成波導(dǎo)的單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò) - 全文

Hirokawa和Ando于1998年首先提出了基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide,SIW），即在介質(zhì)基片中制作兩排金屬化通孔，與上下表面圍成準(zhǔn)封閉的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)。相對(duì)于傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)，SIW體積小、重量輕；同時(shí)，相對(duì)于微帶線等傳統(tǒng)電路，SIW損耗小、輻射低。吳柯教授以及其他的專家學(xué)者對(duì)SIW進(jìn)行了數(shù)值分析、建模及特性分析，并實(shí)現(xiàn)了各類高性能的器件，例如濾波器、定向耦合器、移相器、天線單元及陣列等。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中，單一器件往往不能滿足系統(tǒng)需求，各組件、部件乃至各子系統(tǒng)一般都要求盡可能使用同一種傳輸線，從而保證內(nèi)部連接更為緊湊，使得損耗更小，性能穩(wěn)定。由于基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)包含大量金屬化圓孔，仿真軟件在仿真的時(shí)候，往往導(dǎo)致計(jì)算機(jī)內(nèi)存不夠而運(yùn)行終止，或者占用內(nèi)存較大而降低仿真效率。

本文基于上述考慮，結(jié)合單脈沖網(wǎng)絡(luò)的項(xiàng)目需求，運(yùn)用HFSS軟件，采用優(yōu)化設(shè)計(jì)模型，設(shè)計(jì)了基片集成波導(dǎo)的單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)。在考慮到各項(xiàng)誤差后，測(cè)試結(jié)果和仿真結(jié)果基本吻合，從而證明優(yōu)化模型在基片集成波導(dǎo)設(shè)計(jì)中的高效性，也證明HFSS在電路設(shè)計(jì)過程中的實(shí)用價(jià)值。

2、基于基片集成波導(dǎo)的單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)

2.1、基片集成波導(dǎo)

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圖1、基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

基片集成波導(dǎo)（Substrate integrated waveguide，SIW）是一種新的微波傳輸線形式，其利用金屬過孔或金屬柱，在介質(zhì)基片上實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的場(chǎng)傳播模式，如圖1所示。由于其傳播模式和傳統(tǒng)的金屬波導(dǎo)相同，因此在電性能上，其等效為一段填充有介質(zhì)的金屬波導(dǎo)，等效寬度可由等效公式進(jìn)行計(jì)算。

公式1 等效寬度的計(jì)算公式

其中a'為基片集成波導(dǎo)的寬度,W是金屬化孔間距，R是金屬化孔的半徑，而a為填充介質(zhì)的等效金屬波導(dǎo)寬度。為提高仿真效率同時(shí)防止電磁波從金屬化孔間泄露，一般取3R≤W≤4R。

2.2、單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)

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圖2、單脈沖網(wǎng)絡(luò)

在機(jī)載和彈載系統(tǒng)中，廣泛采用平板式的單脈沖天線，如圖2所示。這種單脈沖天線在物理上被劃分成四個(gè)象限（1-4），每個(gè)象限射頻信息（E1-E4）通過多層饋電網(wǎng)絡(luò)合成后匯聚到單脈沖比較器（I-III），單脈沖比較器作為整個(gè)單脈沖天線的關(guān)鍵部件，把四個(gè)象限的射頻信號(hào)合成為一個(gè)和波束（EΣ），兩個(gè)正交差波束（EΔα、EΔβ）方向圖。

3、單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)的HFSS仿真

3.1、優(yōu)化模型

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圖3、基片集成波導(dǎo)的網(wǎng)格劃分

大型基片集成波導(dǎo)電路往往金屬化孔的數(shù)量較多，這些金屬化孔是弧面。在HFSS中，為了保證仿真的精度，弧面所需的網(wǎng)格數(shù)量往往遠(yuǎn)大于平面。圖3是工作在X波段的基片集成波導(dǎo)傳輸線。基片寬度14mm，金屬化孔的半徑為0.25mm，默認(rèn)的圓柱面的劃分為0，網(wǎng)格數(shù)量為19953，從圖中也可以明顯看出金屬化孔的區(qū)域自適應(yīng)的加密程度遠(yuǎn)大于其它區(qū)域。

優(yōu)化模型的關(guān)鍵在于調(diào)整圓柱面的劃分?jǐn)?shù)量，從而使得網(wǎng)格的數(shù)量下降到計(jì)算機(jī)內(nèi)存可接受的程度，但是同時(shí)又要保證仿真的正確性。圖4是對(duì)圖3所示傳輸線進(jìn)行仿真的結(jié)果，對(duì)于金屬化孔，默認(rèn)的圓弧面網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為16。從圖4中可以看出隨著劃分?jǐn)?shù)量從16降低到6，網(wǎng)格劃分對(duì)應(yīng)的數(shù)量從19953降低到5455，而回波損耗的誤差約0.5dB左右，插入損耗誤差小于0.02dB，相位的誤差小于1度。當(dāng)然，不同復(fù)雜程度的模型對(duì)應(yīng)不同程度的誤差量級(jí)，因此兼顧到效率和運(yùn)算精度，最終取圓弧面的網(wǎng)格劃分?jǐn)?shù)量為10。

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圖4、圓弧面網(wǎng)格劃分不同數(shù)量下的仿真結(jié)果。a）回波損耗；b）插入損耗；c）相位差異；d）網(wǎng)格數(shù)量

3.2、設(shè)計(jì)實(shí)例

工程實(shí)際需求的基片集成波導(dǎo)單脈沖饋電網(wǎng)絡(luò)工作在Ku波段，它主要由四個(gè)3-dB電橋，四個(gè)90度移相器，以及四個(gè)1：8功率分配網(wǎng)絡(luò)組成，如圖5(a)所示。其中輸入口為端口1-4，共四個(gè)，1口為EΣ，2口和3口分別為EΔα和EΔβ，而4口稱為Q口，一般接匹配負(fù)載；輸出口為端口5-36，共32個(gè)。圖5(b)為整個(gè)系統(tǒng)在HFSS中的仿真模型，其中1-4口，SSMA水平輸入，5-36口SMP垂直輸出，基片集成波導(dǎo)主體電路通過基片集成波導(dǎo)/微帶過渡到同軸端口。設(shè)計(jì)的印制板采用厚度為1.016mm的Rogers RT-6002，該介質(zhì)板介電常數(shù)為2.94，由于參雜了陶瓷粉，因此質(zhì)地較硬，同時(shí)相位的溫度穩(wěn)定性較好，特別適合高頻使用。由于本設(shè)計(jì)要求工作在Ku波段，因此金屬化孔的半徑為0.2mm。采用IBM服務(wù)器X3650（2xE5620，64G內(nèi)存）最終經(jīng)過8次的迭代，如圖5(c)所示。

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圖5、基片集成波導(dǎo)單脈沖網(wǎng)絡(luò)的原理圖(a)，仿真模型(b)，仿真收斂狀態(tài)(c)以及實(shí)物圖(d)

加工完成的實(shí)物圖如圖5(d)所示，整個(gè)饋電網(wǎng)絡(luò)的尺寸為146.5mm╳140mm，由于印制板和結(jié)構(gòu)件的公差配合，印制板的尺寸比結(jié)構(gòu)件的腔體要稍微小一些，因此印制板和腔體壁之間有一定的間隙，間隙的存在影響了系統(tǒng)的匹配，因次通過增加額外的調(diào)配手段(Tuning Point)，使得系統(tǒng)匹配。樣件的測(cè)試基于40GHz網(wǎng)絡(luò)分析儀，最終測(cè)試的結(jié)果，如圖6。

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圖6、基片集成波導(dǎo)單脈沖網(wǎng)絡(luò)的測(cè)試和仿真對(duì)比結(jié)果：總端口回波損耗(a)，總端口間的隔離度(b)，分端口幅度均方差(c)以及分端口相位均方差(d)

4、結(jié)論

介紹了基片集成波導(dǎo)以及單脈沖天線的基本工作原理，并根據(jù)工程需求，利用優(yōu)化的金屬化孔模型，在保證仿真精度的前提下，使得仿真的效率進(jìn)一步提高；最終設(shè)計(jì)了Ku波段的電大尺寸饋電網(wǎng)絡(luò)，在6%的帶寬內(nèi)總口回波損耗好于10dB，隔離大于25dB，32個(gè)輸出端口的幅度均方誤差小于0.5dB，相位誤差小于6度。