Substrat Tümleşik Dalga Kılavuzu (STDK) Güç Bölücü
Tasarım ve Üretimleri
Orçun Kiriş, Özlem Aydın Çivi
Orta Doğu Teknik Üniversitesi
Elektrik-Elektronik Mühendisliği Bölümü
Ankara
[email protected], [email protected],
Özet: Bu çalışmada, STDK teknolojisi kullanılarak çeşitli güç bölücü yapıları incelenmiştir. Geleneksel ikiye
bölen güç bölücü yapılarından biri olarak bilinen Y-Bağlantı güç bölücünün yanı sıra, bu bölücü tipinin art arda
kullanılması ile elde edilen dörde bölen bir güç bölücü yapısı tasarlanmış, üretilmiş ve ölçümlerle tasarım
doğrulanmıştır. Ayrıca sekize bölen özgün bir güç bölücü yapısı önerilmiştir.
Abstract: In this study, various power divider structures are examined using the SIW technology. In addition to
1x2 Y-Junction power divider, known as one of the conventional 1x2 power divider types, a 1x4 power divider
structure which are obtained by successively adding of the this power divider type are designed, produced and
verified by the measurements. Moreover, a novel 1x8 power divider is proposed.
1. Giriş
STDK güç bölücüleri; çoklayıcılar, bağdaştırıcılar ve anten besleme sistemleri gibi birçok uygulamada ihtiyaç
duyulan önemli yapılardır. Bu güç bölücü teknolojisi, üretilme ve entegre edilebilme kolaylıklarına sahiptir.
Ayrıca, bu tip yapılar özellikle yüksek frekanslarda düşük araya girme kaybı, yüksek kalite faktörü ve yüksek
güç kapasitesi gibi avantajlara da sahiptirler. Ayrıca, geleneksel dalga kılavuzu teknolojisindeki güç bölücü
tasarım şekilleri uygunlaştırılarak STDK teknolojisi ile de kullanılabilir.
2. Tasarlanıp Üretilen Güç Bölücüler
Bu çalışma kapsamında farklı güç bölücü yapıları tasarlanmış ve üretilmiştir. Fakat bu bildiri de yer sınırı olması
nedeniyle, yalnızca 1x2, 1x4 Y-bağlantı güç bölücüler ve 1x8 çok modlu güç bölücü sunulmuştur. Tasarımlar,
Ansoft HFSS benzetim programı ile yapılmıştır. Tüm tasarımlarda taban malzemesi olarak 0.5 mm kalınlıkta
Rogers 3003 (ɛr=3, tanδ=0.0013 @10GHz) kullanılmıştır. Tüm yapılarda STDK’yı oluşturan metal kaplı delik
çapları eşit olup d=0.8 mm’dir. Bütün yapılar ODTÜ Elektrik-Elektronik Mühendisliği bölümündeki
elektrokaplama ve hızlı baskı devre prototip cihazları kullanılarak tarafımızca üretilmiştir.
1x2 Y-Bağlantı STDK Güç Bölücü: 25 GHz frekansında çalışacak şekilde tasarlanmış ve üretilmiştir [1], [2].
Diziliş sıklıkları merkezdeki ayrık delik Pmy=1.5 mm olmak üzere, diğerleri P=1 mm’dir. Tasarımdaki eşdeğer
STDK genişliği W=6 mm olup, uzunluklar sırası ile L1=5 mm, L2=11 mm ve L3=4 mm’dir. Şekil 1 (a)’da 25
GHz’deki elektrik alan (E-field) dağılımı benzetimi ve Şekil 1 (b)’de tasarım parametreleri görülmektedir.
P
W
L3
W
Pmy
W
L1
L2
(a)
(b)
Şekil 1. Temel Y-Bağlantı ikiye bölen STDK güç bölücü (a) 25 GHz çalışma frekansındaki elektrik alan (E-field)
dağılımı benzetimi (b) Tasarım parametreleri.
1
Şekil 2 (a)’da, üretilen güç bölücünün fotoğrafı görülmektedir. Şekil 2 (b) ve (c)’de görülen, geçiş (S21) ve dönüş
kaybı (S11) ölçüm ve benzetim karşılaştırması sonuçları incelendiğinde, tasarlanan yapı ile üretilen yapının geçiş
ve dönüş kaybı değerlerinin birbirine çok yakın olduğu görülmektedir. Sonuçlarda görülen küçük farklar,
benzetim işleminde konektör etkilerinin dahil edilmemiş olmasından kaynaklanmaktadır.
Terminal 2
Terminal 1
Terminal 3
S11(dB)
S21, S31 (dB)
(a)
Ölçüm S31
Ölçüm S21
Benzetim S21 & S31
Ölçüm
Benzetim
Frekans (GHz)
Frekans (GHz)
(b)
(c)
Şekil 2.Temel Y-Bağlantı ikiye bölen STDK güç bölücü (a) üretilmiş yapının fotoğrafı (b) geçiş kaybı (S21 & S31)
ölçüm ve benzetim karşılaştırması (c) dönüş kaybı (S11) ölçüm ve benzetim karşılaştırması
(dB)
1x4 Y&Y-Bağlantı STDK Güç Bölücü: Tasarlanan 1x2 Y-Bağlantı güç bölücü yapısının uygunlaştırılmış şekilde
art arda kullanılmasıyla 1x4 güç bölücü tasarlanmış ve üretilmiştir. Yapılan tasarımda, giriş gücünün önce
uygunlaştırılmış yapıda ikiye bölünmesi, daha sonra her bir bölünmüş gücün temel bölücü yapısı ile tekrar ikiye
bölünerek, çıkış terminaline iletilmesi amaçlanmıştır. Şekil 3 (a)’da 25 GHz’deki elektrik alan (E-field) dağılımı
benzetimi ve Şekil 3 (b)’de benzetim sonuçları görülmektedir. Şekil 3 (b)’den görüldüğü gibi 4’e bölmekten
kaynaklanan 6 dB’nin üstüne, güç bölücünün araya girme kaybı yaklaşık 0.6 dB’dir.
S11(dB)
Sİ1(dB)
İ=2,3,4,5
Frekans (GHz)
(a)
(b)
Şekil 3.Y & Y-Bağlantı dörde bölen STDK güç Bölücü
(a) 25 GHz çalışma frekansındaki elektrik alan (E-field) benzetimi (b) Ansoft HFSS benzetim sonucu.
Tasarlanan 1x4 Y & Y-Bağlantı güç bölücü yapısının karakterizasyonu, iki güç bölücüyü sırt sırta ekleyerek
üretilmesi ve ölçülmesiyle yapılmıştır. Şekil 4 (a)’daki yapı, kırmızı kesikli çizgi ile gösterilen yerden itibaren
simetriktir ve aynı parametrelere sahiptir. Üretilmiş yapının fotoğrafı Şekil 4 (a)’da görülmektedir. Sırt sırta ekli
yapının ölçülen S11 ve S21 değerleri sırası ile Şekil 4 (b) ve (c)’de benzetimler ile karşılaştırılmıştır.
Benzetimlerde konektörlerin etkisi hesaba katılmıştır. Benzetimler ile ölçümler arasında dönüş kaybında iyi
derecede uyum gözlenmiştir. Araya girme kaybında 1 dB’lik bir fark görülmektedir. Bu farkın fabrikasyondan
kaynaklanan hatalardan olduğu düşünülmektedir. 25 GHz gibi yüksek frekanslarda yüksek üretim hassasiyetleri
2
gerekmektedir. Yapıların profesyonel baskı devre üretici firmalara ürettirilmesi durumunda bu kayıpların
azalacağı değerlendirilmektedir.
S11 (dB)
S21(dB)
(a)
Ölçüm
Benzetim
Ölçüm
Benzetim
Frekans (GHz)
Frekans (GHz)
(b)
(c)
Şekil 4. Y & Y-Bağlantı ikiye bölen STDK güç bölücü (a) üretim fotoğrafı (b) dönüş kaybı (S11) ölçüm ve
benzetim karşılaştırması (c) geçiş kaybı (S21) ölçüm ve benzetim karşılaştırması.
1x8 Çok Modlu STDK Güç Bölücü: Bu çalışma kapsamında özgün bir yapı olarak çok modlu 1x8 güç bölücü
tasarımı yapılmıştır. Tasarlanan yapı Şekil 5’te görülmektedir.
Çıkış Terminali 8
Çıkış Terminali 7
Giriş
Terminali
L1
Çoklu
Mod
Girişim
Bölgesi
Çıkış Terminali 1
Şekil 5.Tasarlanan 1x8 STDK güç bölücü
Bu tasarımla, şekillendirilmiş bir ışınım örüntüsü oluşturacak dizileri beslemek üzere sönümlü besleme
dağılımları sağlanması amaçlanmaktadır. Güç bölücünün giriş terminalinden uygulanan elektromanyetik dalga,
STDK’nın genişliğindeki ani değişim ile çoklu mod girişim bölgesinde yüksek modlar (higher order mode)
oluşturmaktadır. Yapının sonuna yerleştirilen dar STDK yapıları, bu modları karşılamakta ve bölünen güçleri
girişte uygulanan dalganın modu ile aynı moda dönüştürerek çıkış terminallerine iletmektedir. Ayrıca, daha
evvel literatürde denenmemiş bir yöntem olan, yapının sonuna yerleştirilen dar STDK yapı boylarının lens
benzeri bir yapılandırma ile tasarlanması çalışması ile faz farklarının azaltılması amaçlanmıştır. Faz farkının
daha az bir düzeye indirilmesi amacı ile çıkış tarafındaki dar STDK yapılarının genişliği bölgesel olarak
azaltılmıştır. Diğer yandan, çıkış terminallerindeki genlik dağılımlarını istenilen oranlara getirmek amacıyla
yapının sonundaki dar STDK yapılarının uç kısımlarına, çeşitli uzunluklarda yapıya dik duvarlar eklenmiştir.
Kaynaklar
[1] Germain, S., Deslandes, D. ve Wu, K., Development of Substrate Integrated Waveguide Power Dividers,
IEEE Canadian Conferenc on Electrical and Computer Engineering (CCECE), Montreal-Kanada, (2003), s.
1921-4.
[2] Hao, Z. C., Hong, W., Li, H., Zhang, H. ve Wu, K., Multiway Broad-Band Substrate Integrated Waveguide
(SIW) Power Divider, IEEE AP-S Int. Symp.,Washington-ABD ,(2005), s. 639–42.
3

Download Report