◎楊雷 羅會(huì)安

基于HFSS的Ku波段SMT微帶環(huán)行器仿真設(shè)計(jì)

◎楊雷 羅會(huì)安

本文通過HFSS對Ku波段微帶環(huán)行器進(jìn)行了微波特性的仿真，成功設(shè)計(jì)優(yōu)化了一種 Ku 波段寬帶小型化SMT微帶環(huán)行器，該環(huán)行器帶寬達(dá)到 30%，插損＜0.7dB, 隔離＞18dB, 駐波＜1.35。

隨著移動(dòng)通訊技術(shù)的發(fā)展，電子銀行，電子教學(xué)和電子醫(yī)療等核心服務(wù)將繼續(xù)普及并更具移動(dòng)性，社會(huì)發(fā)展將帶來移動(dòng)和無線流量的激增，預(yù)計(jì)在未來的十年中將增加一千倍。為了達(dá)到高速傳輸?shù)哪康?，許多國家已開展第五代移動(dòng)通訊相應(yīng)研究,而采用多天線自適應(yīng)波束賦形技術(shù)的小型基站已能達(dá)到1Gbps的傳輸速率，為了達(dá)到共用天線并把收發(fā)信號(hào)隔離，大量需求適合自動(dòng)化安裝工藝的表貼小型化環(huán)行器。而鐵氧體微帶環(huán)行器具有集成度高、體積小、電氣性能優(yōu)良、可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，若能進(jìn)行表面貼裝將非常適合第五代移動(dòng)通訊技術(shù)。本文主要設(shè)計(jì)一種Ku波段SMT微帶環(huán)行器

理論分析

微帶環(huán)行器分析

為了達(dá)到帶寬的要求，本設(shè)計(jì)采用Mg-Mn系鐵氧體為基材。

主要的材料參數(shù)為：飽和磁化強(qiáng)度：4πMs ＝2500Gs ，介電常數(shù)：εr=13，介質(zhì)損耗： tanδ=2＊10-4

微帶環(huán)行器的設(shè)計(jì)和帶線環(huán)行器基本一致，但是微帶環(huán)行器由于體積小，帶寬要求高，為了解決這兩個(gè)問題，我們可以采用雙Y加圓盤結(jié)，并采用圓盤輻射狀突起，這種結(jié)構(gòu)在縮小諧振子的尺寸起到了積極作用。

本次設(shè)計(jì)將采用這種諧振子形式，再通過匹配達(dá)到增加帶寬的作用，理論上帶寬能擴(kuò)至60%。

運(yùn)用以上的方案進(jìn)行微帶環(huán)行器的設(shè)計(jì)，將鐵氧體材料的相關(guān)參數(shù)代入，在HFSS中進(jìn)行仿真計(jì)算。圖1為單結(jié)微帶環(huán)行器的建模圖。

圖1 單結(jié)環(huán)行器建模圖

圖2 優(yōu)化計(jì)算后單結(jié)環(huán)行器的S參數(shù)圖

優(yōu)化計(jì)算后單結(jié)環(huán)行器的S參數(shù)曲線圖（圖2），從中可以看出帶寬可達(dá)37%。

關(guān)于過孔分析計(jì)算

一般的微帶環(huán)行器都是微帶出口，并需要在載板上挖出一個(gè)與環(huán)行器尺寸相同的槽，端口與組件相連一般采用鍵合方式，需要專業(yè)鍵合設(shè)備，為了簡化裝配流程及提高效率，進(jìn)行大面積貼裝是大勢所趨，為了盡可能還原環(huán)行器本身性能，對金屬化過孔進(jìn)行了設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)了如圖3結(jié)構(gòu)形式的過孔：

圖3 金屬化過孔建模圖

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，反射系數(shù)性能（圖4）已達(dá)-24dB。

合并

圖4 金屬化過孔性能

對以上環(huán)行器和金屬化過孔進(jìn)行合并處理，并進(jìn)行優(yōu)化仿真如圖5。

圖5 SMT微帶環(huán)行器建模圖

通過優(yōu)化相關(guān)尺寸后得到性能曲線如下如圖6：

圖6 SMT微帶環(huán)行器仿真優(yōu)化后曲線

此模型在Ku波段環(huán)行性能良好，并進(jìn)行實(shí)物制備。

樣件制備測試

通過磁控濺射工藝在鐵氧體基片上進(jìn)行電路制備，加裝磁屏蔽罩，最終尺寸為（8mm×9mm×4mm），并進(jìn)行測試。

圖7 SMT微帶環(huán)行器外形及測試方式

通過對實(shí)物進(jìn)行測試，曲線如圖8：

環(huán)行器帶寬達(dá)到 30%，插損＜0.7dB,隔離＞18dB, 駐波＜1.35，環(huán)行性能良好

圖8 SMT微帶環(huán)行器測試曲線

本文闡述了SMT微帶環(huán)行器設(shè)計(jì)方法，并基于所設(shè)計(jì)的環(huán)行器結(jié)構(gòu)，制作并測試了該環(huán)行器。結(jié)果表明此SMT微帶環(huán)行器在Ku波段內(nèi)具有良好的環(huán)行性能，在工藝上能適應(yīng)大批量貼裝要求。

(作者單位：南京國睿微波器件有限公司)