HFSS15在基片集成波导单脉冲馈电网络仿真中的应用 滤波器, 耦合器, 波导, 网络, 定向

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1、前言
Hirokawa 和Ando于1998年首先提出了基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW），即在介质基片中制作两排金属化通孔，与上下表面围成准封闭的导波结构。相对于传统的金属波导，SIW体积小、重量轻；同 时，相对于微带线等传统电路，SIW损耗小、辐射低。吴柯教授以及其他的专家学者对SIW进行了数值分析、建模及特性分析，并实现了各类高性能的器件，例 如滤波器、定向耦合器、移相器、天线单元及阵列等。然而在实际工程应用中，单一器件往往不能满足系统需求，各组件、部件乃至各子系统一般都要求尽可能使用 同一种传输线，从而保证内部连接更为紧凑，使得损耗更小，性能稳定。由于基片集成波导的结构包含大量金属化圆孔，仿真软件在仿真的时候，往往导致计算机内 存不够而运行终止，或者占用内存较大而降低仿真效率。

本文基于上述考虑，结合单脉冲网络的项目需求，运用HFSS软件，采用优化设计模型，设计了基片集成波导的单脉冲馈电网络。在考虑到各项误差后，测试结果和仿真结果基本吻合，从而证明优化模型在基片集成波导设计中的高效性，也证明HFSS在电路设计过程中的实用价值。

2、基于基片集成波导的单脉冲馈电网络
2.1、基片集成波导

图1、基片集成波导结构

基 片集成波导（Substrate integrated waveguide，SIW）是一种新的微波传输线形式，其利用金属过孔或金属柱，在介质基片上实现波导的场传播模式，如图1所示。由于其传播模式和传统 的金属波导相同，因此在电性能上，其等效为一段填充有介质的金属波导，等效宽度可由等效公式进行计算。



公式1 等效宽度的计算公式

其中a'为基片集成波导的宽度,W是金属化孔间距，R是金属化孔的半径，而a为填充介质的等效金属波导宽度。为提高仿真效率同时防止电磁波从金属化孔间泄露，一般取3R≤W≤4R。

2.2、单脉冲馈电网络

图2、单脉冲网络

在机载和弹载系统中，广泛采用平板式的单脉冲天线，如图2所示。这种单脉冲天线在物理上被划分成四个象限（1-4），每个象限射频信息（E1-E4）通过多层馈电网络合成后汇聚到单脉冲比较器（I-III），单脉冲比较器作为整个单脉冲天线的关键部件，把四个象限的射频信号合成为一个和波束（EΣ），两个正交差波束（EΔα、EΔβ）方向图。

3、单脉冲馈电网络的HFSS仿真
3.1、优化模型

图3、基片集成波导的网格划分

大 型基片集成波导电路往往金属化孔的数量较多，这些金属化孔是弧面。在HFSS中，为了保证仿真的精度，弧面所需的网格数量往往远大于平面。图3是工作在X 波段的基片集成波导传输线。基片宽度14mm，金属化孔的半径为0.25mm，默认的圆柱面的划分为0，网格数量为19953，从图中也可以明显看出金属 化孔的区域自适应的加密程度远大于其它区域。

优化模型的关键在于调整圆柱面的划分数量，从而使得网格的数量下降到计算机内存可接受的程度， 但是同时又要保证仿真的正确性。图4是对图3所示传输线进行仿真的结果，对于金属化孔，默认的圆弧面网格划分数量为16。从图4中可以看出随着划分数量从 16降低到6，网格划分对应的数量从19953降低到5455，而回波损耗的误差约0.5dB左右，插入损耗误差小于0.02dB，相位的误差小于1度。 当然，不同复杂程度的模型对应不同程度的误差量级，因此兼顾到效率和运算精度，最终取圆弧面的网格划分数量为10。


图4、圆弧面网格划分不同数量下的仿真结果。a）回波损耗；b）插入损耗；c）相位差异；d）网格数量

3.2、设计实例
工程实际需求的基片集成波导单脉冲馈电网络工作在Ku波段，它主要由四个3-dB电桥，四个90度移相器，以及四个1：8功率分配网络组成，如图5(a)所示。其中输入口为端口1-4，共四个，1口为EΣ，2口和3口分别为EΔα和EΔβ， 而4口称为Q口，一般接匹配负载；输出口为端口5-36，共32个。图5(b)为整个系统在HFSS中的仿真模型，其中1-4口，SSMA水平输 入，5-36口SMP垂直输出，基片集成波导主体电路通过基片集成波导/微带过渡到同轴端口。设计的印制板采用厚度为1.016mm的Rogers RT-6002，该介质板介电常数为2.94，由于参杂了陶瓷粉，因此质地较硬，同时相位的温度稳定性较好，特别适合高频使用。由于本设计要求工作在Ku 波段，因此金属化孔的半径为0.2mm。采用IBM服务器X3650（2xE5620，64G内存）最终经过8次的迭代，如图5(c)所示。


图5、基片集成波导单脉冲网络的原理图(a)，仿真模型(b)，仿真收敛状态(c)以及实物图(d)
加 工完成的实物图如图5(d)所示，整个馈电网络的尺寸为146.5mm╳140mm，由于印制板和结构件的公差配合，印制板的尺寸比结构件的腔体要稍微小 一些，因此印制板和腔体壁之间有一定的间隙，间隙的存在影响了系统的匹配，因次通过增加额外的调配手段(Tuning Point)，使得系统匹配。样件的测试基于40GHz网络分析仪，最终测试的结果，如图6。


图6、基片集成波导单脉冲网络的测试和仿真对比结果：总端口回波损耗(a)，总端口间的隔离度(b)，分端口幅度均方差(c)以及分端口相位均方差(d)

4、结论
介 绍了基片集成波导以及单脉冲天线的基本工作原理，并根据工程需求，利用优化的金属化孔模型，在保证仿真精度的前提下，使得仿真的效率进一步提高；最终设计 了Ku波段的电大尺寸馈电网络，在6%的带宽内总口回波损耗好于10dB，隔离大于25dB，32个输出端口的幅度均方误差小于0.5dB，相位误差小于6度。