[論文レビュー] Substrate integrated waveguide power divider, circulator and coupler in [10-15] GHz band

Bouchra Rahali Mohammed Feham|arXiv (Cornell University)|Apr 10, 2014

Microwave Engineering and Waveguides被引用数 6

ひとこと要約

本稿では、Ansoft HFSSを用いて10–15 GHz帯における基板集積波導（SIW）型パワー分配器、サーキュレータ、コプラを設計および最適化する手法を提示する。提案された部品はSIW技術を活用し、低損失かつ平面的統合を実現し、高周波帯域のマイクロ波応用において、コンactなコスト効率の高いレイアウトを有する、平面回路統合に適した優れた性能を示している。

ABSTRACT

The Substrate Integrated Waveguide (SIW) technology is an attractive approach for the design of high performance microwave and millimeter wave components, as it combines the advantages of planar technology, such as low fabrication costs, with the low loss inherent to the waveguide solution. In this study, a substrate integrated waveguide power divider, circulator and coupler are conceived and optimized in [10-15] GHz band by Ansoft HFSS code. Thus, results of this modeling are presented, discussed and allow to integrate these devices in planar circuits.

研究の動機と目的

• 10–15 GHz帯におけるコンパクトで低損失のマイクロ波部品を、基板集積波導（SIW）技術を用いて開発すること。
• 従来の平面部品の限界を克服し、波導の低損失特性と平面回路の製造簡便性を統合すること。
• 同一周波数帯域内で、フル波動電磁界シミュレーションを用いて、パワー分配器、サーキュレータ、コプラの3つの主要部品を設計および最適化すること。
• これらの部品を高機能な応用に適した平面マイクロ波回路にシームレスに統合することを可能とすること。
• 電磁界シミュレーションおよびパラメトリック最適化を用いて、SIWベース部品の実現可能性と性能を検証すること。

提案手法

• 設計プロセスでは、SIW部品のフル波動電磁界シミュレーションおよび最適化にAnsoft HFSSが用いられた。
• ガイドモードを10–15 GHz帯で支持するため、特定の誘電率を有する基板が使用された。
• パワー分配器、サーキュレータ、コプラは、金属ビアホールを用いて波導に類似した挙動を示す平面構造としてモデル化された。
• 最適化は、帰還損失が-20 dB未満、隔離度が20 dB以上、およびターゲット周波数範囲内での良好な指向性を達成することに焦点を当てた。
• 性能目標を満たすために、Sパラメータ応答および場分布解析に基づいて構造が繰り返し最適化された。
• 最終的な設計は、良好なインピーダンスマッチングおよび隔離特性を示すシミュレーション結果により検証された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 基板集積波導技術は、10–15 GHz帯におけるコンパクトで低損失のパワー分配器の設計に効果的に対応できるか？
• RQ2 10–15 GHz周波数帯で動作する機能的なSIWベースサーキュレータは、どのように実現され、最適化できるか？
• RQ3 指定された帯域内で、SIWコプラの適切な結合および指向性を確保するための設計戦略は何か？
• RQ4 SIW部品は、従来の波導部品と同等の性能を達成できる程度まで向上できるか、かつ平面製造適合性を維持できるか？
• RQ5 この周波数帯域におけるSIWベース部品の性能に影響を与える主要な幾何学的および材料的パrameterは何か？

主な発見

• SIWパワー分配器は、10–15 GHz帯全域で帰還損失が-20 dB未満を達成し、優れたインピーダンスマッチングを示した。
• SIWサーキュレータは、入力ポートと遮断ポート間で20 dBを超える隔離度を示し、効果的な非再帰的挙動を確認した。
• SIWコプラは、ターゲット周波数範囲内で良好な指向性および結合精度を示し、S23パラメータが安定した結合を示した。
• すべての部品が低挿入損失を示し、10–15 GHz帯におけるSIW技術の低損失特性の優位性を裏付けた。
• 設計は平面回路に正常に統合され、モノリシックマイクロ波集積回路（MMIC）応用への実現可能性を示した。
• シミュレーション結果から、SIW部品は従来の波導部品と同等の性能を達成可能であり、かつ低コストで平面的製造が可能であることが確認された。