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2017年IEEE MTT-S国际微波与射频会议（IMARC）
用于减小旁瓣60GHz应用的脊隙波导功率分配器的设计
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什拉曼古普塔 阿卜杜勒·拉兹克·塞巴克 康科迪亚大学电气与计算机系 蒙特利尔,魁北克,加拿大 shraman.gupta@concordia.ca,abdo@ece.concordia.ca |
维贾亚·库马尔·德瓦布哈克图尼 托莱多大学电气与计算机工程系 美国俄亥俄州托莱多 |
摘要:针对57-64GHz波段低旁瓣辐射应用，提出了一种采用脊隙波导技术的宽带低损耗1times;16单元功率分配器。16元除法器基于不均匀的功率分布，以实现-30分贝的旁瓣电平。这种单层除法器技术的最重要用途是降低复杂性和实现低插入损耗。本文介绍了导销和导脊的设计，并对二元功率分配器进行了参数化研究。两个不同的商业模拟器被用来验证设计的准确性。该功率分频器具有宽带宽，其特点是输入端口匹配参数（s11）在所需ISM波段（57-64GHz）上小于-10dB。
关键词：脊隙波导；功率分配器；宽带；ISM波段；泰勒分布。
引言
近几年来，人们对毫米波应用的研究领域越来越关注和关注。无证ISM频段（57-64GHz）因其高速无线需求而备受关注，可实现高清（HD）视频流和多媒体接口、无线千兆以太网和汽车雷达[1-2]。但是，ISM波段具有很强的吸氧能力和很高的传播路径损耗。因此，对高增益、高辐射效率和宽频带天线的需求确实至关重要[3]。在60GHz频段研究一种当通信距离大于100米时，可以使增益大于30dBi的阵列[4]。
微带阵列、基片集成波导（SIW）平面阵列和脊隙波导等多种技术实现了宽带天线。采用微带技术设计的阵列最容易制造，结构紧凑，可以很容易地与有源和无源元件集成。然而，它们在高毫米波频率下表现出高介电和欧姆损耗[5-7]。与高频微带阵列相比，SIW天线具有低损耗和高辐射效率[8-10]。然而，高频损耗仍足以产生问题，特别是当SiW阵列的尺寸变大时[11]。脊隙波导（RGW）技术于2009年作为一种导向结构引入[12]。
然而，RGW的概念并不是新的，而是基于几十年前引入的硬表面和软表面的概念[13-14]。脊隙波导技术可以定义为一种平行板状结构，其中信号沿着两个完美导电板（PEC）之间的脊线传输。人工磁导体（AMC）PEC的边界条件被限制在主导脊的一侧，从而为泄漏信号创建一个阻带。这种边界条件是通过使用在特定的停止带宽内运行的导梁周围的周期性类似结构来建立的。准TEM模式在脊和顶部PEC板之间传播，其中传播表面电流的色散最小。同时，信号在气隙中传播，在RGW技术中不存在介质损耗。此外，由于周期性电池用于抑制信号泄漏，因此没有电触点[15]。天线设计中最常用的无源器件是功率分频器，在天线阵列设置中作为馈源结构来实现。有一些关于使用RGW技术的天线阵列系统的文献[16-18]，它涵盖了多达四个元件的功率分配器的设计，并获得了宽带宽。这些阵列系统在毫米波应用中有助于实现高增益和高效率的天线。本文提出了一种基于ISM频段（57-64GHz）的16元不等功率分配功率分配器。这项工作的目的是获得在60GHz频段运行的低损耗、高效率的供电网络。本文的组织结构如下：第二节详细介绍了单元单元的设计以及基于不同插脚数的简单RGW分析。第三节阐述了二元子阵列供电网络，以及不均匀功率分布的参数研究。第四节描述了基于16元泰勒分布的功率分配器，以及最终散射参数结果和信号传播。最后，在第五节中得出结论。
二、RGW单元单元设计
本设计中的单元单元单元是图1所示的传统矩形截面钉单元单元。单元单元在CST微波工作室2016的特征模式解算器下进行设计和模拟，该解算器采用周期边界条件。在高HR的床钉的顶部和底部有两块PEC金属板。床钉具有宽阻带，如其色散图所示，信号泄漏可控制在35.48-81.76GHz之间。
图1 RGW结构中周期引脚单元单元色散图，其中hr=1.5 mm, a=1.5 mm, g=0.25 mm;
导梁周围的引脚行数对确定单元间距和光栅瓣问题也很重要。因此，对长度为10mm的不同引脚排数的RGW结构进行简单的双端口分析，如图2所示。传输参数(S21)如图2 (c)所示，其中两行和三行引脚的S21几乎相同，当引脚在整个ISM波段上只有一行时，S21衰减0.1 dB。
图2 (a) RGW结构的三维视图和侧视图。hr=1.5 mm;a=1.5 mm;g=0.25 mm;Wp=0.5 mm;Wr=0.8 mm. (b)不同引脚排数的RGW结构。(c)不同排针模拟S21。
三、二元供料网络
a.倾斜屋脊分析
如图3（a）所示，设计了一个两元件Y形连接馈电网络，其中两个倾斜脊用于形成一个Y形连接部分。主脊（50 fi）分为两个100 fi脊，采用Y形格式，而不是T形连接格式。导脊和针排以A角排列在一起，这样两块PEC金属板之间的单元单元单元周期性就不会降低。同时，考虑到100FI源导脊和50FI负载，进行了一个简单的双端口分析。这一概念将导致输入阻抗的不匹配，并且会由于倾斜或弯曲而发生损耗。从图3（b）中可以看出，在60GHz时，由于不同阻抗的导脊弯曲或倾斜，损失约为0.3dB。
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图3 （a）采用Y型分路器的两元件供电网络。（b）模拟两元件功率分配器的S11和S21。
b. 二元不等功率分配器
如图3(A)所示，用三排引脚测试了一个二元不等功率分配器。测试双元件馈电网络的思想是分析从输入端口1到两个输出端口的功率分配不均时的插入损耗。将功率分裂因子(x1)由0.1变为0.5进行参数化研究，得到各输出端口接收功率的影响。图4(a)显示了输入端口匹配(S11)，它对于所有S21值几乎是相同的，并且在57-64 GHz下优于-15 dB。然而,S21和S31在标准3db左右变化，分别表示每个输出端口接收到的功率，如图4(b)所示。当功率分割系数达到0.5时，隔离级达到3.1 dB左右，其中0.1 dB的损耗是由于弯曲或倾斜阻抗不匹配造成的。
图4 (a)不同功率分裂因子(0.1-0.5)的模拟反射系数(S11) (b)不同功率分裂因子(0.1-0.5)的模拟传输参数(S21,S31)。
四、60GHz 16路Y型结功分器
对采用泰勒分布的16单元y结功率分配器进行了仿真，如图5所示。本节分为两个子部分:描述功率分配器，使用Taylor渐缩技术获得一个旁瓣电平(SLL)为- 30db, Nmacr;= 6;提出了16-的散射参数元素功率分配器。
a .泰勒分布式功率分配器
泰勒锥技术是控制副瓣电平最常用的方法之一。该技术产生了一种波束宽度和旁瓣电平之间的最佳平衡的分布，因为它为特定的旁瓣电平比(SLR)[19]提供了最高的指向性。这种馈电网络可以应用于雷达和成像检测等领域，在这些领域中，通过主瓣检测目标是很重要的，否则旁瓣将检测到假目标。因此，为了抑制SLL，采用泰勒分布法得到了功率分布不均匀的16元y结分频器。
功率分配器是使用与上一节所述的二元功率分配器相同的概念构造的。输出端口之间的距离di = hg，以减小天线单元之间的相互耦合。使用SLR可以得到一个Taylor Nmacr;分布，Nmacr;= 6，取前8-piort归一化权值为振幅锥度，如表I所示，其中为Matlab计算结果。
表1 计算了含N-的16元数组的系数 BAR = 6, SLR = 30 DB
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Port No. |
Coefficients |
Normalized Coefficients |
|
2 |
0.417778 |
0.326350109 |
|
3 |
0.50464 |
0.355965128 |
|
4 |
0.689013 |
0.428035494 |
|
5 |
0.921505 |
0.540069426 |
|
6 |
1.138886 |
0.671207631 |
|
7 |
1.324878 |
0.808411666 |
|
8 |
1.465739 |
0.930694942 |
|
9 |
1.537562 |
1 |
在这种16路不等功率分配器中，首先将第一级划分为等阻抗，然后将不等功率从第二级分配到第四级，功率分配因子(K)如表二所示。
表2计算第二至第四阶段的K值
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Stage |
K values |
|||
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2nd (K1) |
0.5651 |
|||
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3rd (K2) |
0.2528 |
0.2528 |
||
|
4th (K3) |
0.2511 |
0.2758 |
0.2416 |
0.2162 |
图5 采用RGW技术的16单元功率分配器。L = W = 84.6 mm;
b .结果与讨论
如图6 (a)所示，所提出的16单元y结功率分配器具有较宽的工作带宽(57-64 GHz)，在CST微波Studio 2016和Ansys HFSS 15中对所提出的分配器进行了仿真，在所需频段内反射系数(S11)优于-10 dB。前8个端子(端口2-9)是后8个端子(端口10-17)的镜像，插入损耗较低，如图6 (b)所示，传输系数在端口9 (S91)处较高，并逐渐下降到端口2 (S21)。
如图7所示，该功率分配器在60ghz下的电流分布如图7所示，其中输入端口由50fi波导端口激励，输出端口采用泰勒渐缩技术，功率不等。此外，信号泄漏被沿该分压器的引导脊的周期性床钉堵塞。
图6 （a）使用CST和HFSS（b）模拟两个锥形切口的透射系数（s21-s91）模拟反射系数（s11）
图7 60 GHz下拟议功率分配器的表面电流
五、总结
提出了一种宽带16元不等y结功率分配器。该功率分配器覆盖整个ISM频段(57-64 GHz)，在60 GHz处具有低插入损耗。功率分配器采用泰勒渐缩技术，根据输出端口不同的权值设计功率分配器。该馈电网络可用于雷达和成像检测中的天线应用，其中旁瓣电平降低到- 30db。
参考文献
[1]P.Smulders，“利用60 GHz频段实现本地无线多媒体接入：前景与未来方向”，IEEE Commun.杂志，第40卷，第1期，第140-147页，2002年1月。
[2]S.K.Yong和C.-C.Chong，“通过毫米波技术的千兆无线概述：潜力和技术挑战”，Eurasip J.Wireless Commun.网络，第2007卷，第078907页，2007年。
[3]A.I.Sulyman、A.Alwarafy、G.R.MacCartney、T.S.Rappaport和A.Alsanie，“28、60和73 GHz频段毫米波无线网络定向无线传播路径损耗模型”，《IEEE无线通信汇刊》，第15卷，第10期，第6939-6947页，2016年10月。
[4]Y.P.Zhangand，D.X.Liu，“无线通信用高度集成毫米波器件的片上天线和封装天线解决方案”，IEEE Trans.天线Propag.，第57卷，第10期，第2830-2841页，2009年10月。
[5]E.Levine，G.Malamud，S.Shtrikman和D.Treves，“带馈送网络的微带阵列天线研究”，IEEE Trans.天线Propag.，第37卷，第4期，第42
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