[论文解读] 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 6

一句话总结

本论文采用Ansoft HFSS对10–15 GHz频段的基板集成波导（SIW）功分器、环形器和耦合器进行了设计与优化。所提出的组件利用SIW技术实现低损耗和平面集成，展现出在高频微波应用中性能优异，具有紧凑、低成本的布局，适用于平面电路集成。

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.

研究动机与目标

• 采用基板集成波导（SIW）技术，为10–15 GHz频段开发紧凑、低损耗的微波组件。
• 通过将波导的低损耗优势与平面电路的制造简便性相结合，克服传统平面组件的局限性。
• 利用全波电磁仿真技术，设计并优化同一频段内的三种关键组件——功分器、环形器和耦合器。
• 实现这些组件在平面微波电路中的无缝集成，以满足高性能应用需求。
• 通过电磁仿真和参数优化验证SIW基组件的可行性和性能。

提出的方法

• 设计过程采用Ansoft HFSS进行SIW组件的全波电磁仿真与优化。
• 利用具有特定介电特性的基板，以支持10–15 GHz频段内的导波模式。
• 功分器、环形器和耦合器被建模为具有金属通孔的平面结构，以实现类似波导的行为。
• 优化目标包括：回波损耗低于-20 dB，隔离度高于20 dB，以及在目标频带内具有良好的方向性。
• 基于S参数响应和场分布分析，对结构进行迭代优化，以满足性能指标。
• 最终设计通过仿真结果验证，显示出良好的阻抗匹配和隔离特性。

实验结果

研究问题

• RQ1 基板集成波导技术能否有效支持10–15 GHz频段内紧凑、低损耗功分器的设计？
• RQ2 如何实现并优化适用于10–15 GHz频段工作的SIW基环形器？
• RQ3 在指定频带内，何种设计策略可确保SIW耦合器具备足够的耦合度和方向性？
• RQ4 SIW组件在保持平面化制造兼容性的同时，能在多大程度上实现与传统波导组件相当的性能？
• RQ5 在该频段内，影响SIW基组件性能的关键几何与材料参数有哪些？

主要发现

• SIW功分器在10–15 GHz频段内回波损耗低于-20 dB，表明具有优异的阻抗匹配特性。
• SIW环形器在输入端口与隔离端口之间实现了超过20 dB的隔离度，证实了有效的非互易行为。
• SIW耦合器在目标频带内表现出良好的方向性和耦合精度，S23参数显示耦合稳定。
• 所有组件均表现出低插入损耗，证实了SIW技术在10–15 GHz频段的低损耗优势。
• 设计成功集成于平面电路中，证明了其在单片微波集成电路（MMIC）应用中的可行性。
• 仿真结果表明，SIW组件可实现接近传统波导的性能，同时具备低成本、平面化制造的优势。