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Apr 27, 2023

ウルトラの解析と設計

Rapporti scientifici Volume 12,

Scientific Reports volume 12、記事番号: 14214 (2022) この記事を引用

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メトリクスの詳細

この論文では、プリント リッジ ギャップ導波路 (PRGW) 構造の設計を容易にする新しい方法を紹介します。 このような構造を設計する際の主な困難の 1 つは、実際に時間とエネルギーを消費するシミュレーション プロセスに関連しています。 したがって、適切な境界条件は、爪床やキノコ単位胞を含まない一次構造をもたらすと考えられます。 この技術を使用して、広帯域 PRGW 3 dB ハイブリッド ダブルボックス カプラは、中心周波数 30 GHz のミリ波周波数で動作するように設計されており、次世代のモバイル通信に展開できます。 設計されたカプラは、現在のカプラと比較して独特な、出力振幅の不均衡が低く、広い整合および絶縁帯域幅を提供します。 提案されたカプラのプロトタイプが製造および測定され、シミュレーションと測定の結果が良好な一致を示し、PRGW構造設計においても提案された方法の強みが示されました。 測定結果は、このカプラが 25 ～ 40 GHz (46% BW) の周波数範囲にわたって 10 dB を超えるリターン ロスとアイソレーションを達成し、パワー スプリットの不平衡と位相誤差がそれぞれ ± 1 dB と ± 5° 以内であることを示しています。 さらに、ここでは高インピーダンス表面を満たすために正方形のマッシュルームが選択されています。 これらはより大きなストップ帯域幅をもたらすだけでなく、その構成によりカプラーの周囲にそれらを配置することが容易になります。 提案された設計は、薄型、低損失、マイクロ波回路およびシステムとの統合が容易などの優れた特性を備えており、ミリ波ビームフォーミングネットワークの設計に適しています。

今後登場する第 6 世代 (6G) および第 5 世代 (5G) 無線通信テクノロジーは、電気通信業界に根本的な革命をもたらしました1。 次世代の移動通信では、マイクロ波周波数チャネルで動作してきた現在の通信のチャネル帯域幅が限られているため、高周波スペクトルの使用が必要になります2。 30 ～ 300 GHz のミリ波 (mm-wave) 周波数帯域が、提案された目的に適した候補です。 大量の利用可能な帯域幅を備えたミリ波スペクトルは、マルチギガビット/秒のオーダーでデータ転送速度を向上させ、飽和した従来のマイクロ波スペクトルでの帯域幅不足を克服する、次世代の有望なテクノロジーです。 今日のマイクロ波およびそれより低い周波数帯からミリ波帯への無線データ通信の進化は、モバイル サービス設計者に課題と機会を生み出しています5、6、7。

これに関連して、結合器、アンテナ、フィルター、共振器の設計に関して多くの研究が行われてきました8、9、10、11、12、13、14。 ミリ波周波数帯域のコンポーネントの設計に使用されるテクノロジーは、主にマイクロストリップ ライン、導波路、および基板集積導波路 (SIW) でした15、16、17。 しかし、これらの技術には、誘電体や導体の損失や壁を含むビアからの漏れによる損失が大きいという大きな問題が存在します18、19、20、21。 この目的を達成するために、最近、リッジギャップ導波路 (RGW) または特にプリント RGW (PRGW) 構造と呼ばれる新技術がこの問題を解決すると考えられています 22,23,24,25,26,27,28。導体とリッジの間の空隙を伝播し、その結果、誘電損失が除去されます。 さらに、RGW のネイル ベッドまたは PRGW29 の電磁バンド ギャップ (EBG) の結果として、エネルギーの漏洩が減少します。

一方で、波長が短いミリ波周波数での5G通信システムの実現は、高い経路損失と大気吸収によって制限され、通信範囲の減少を意味します。 この制限は高利得アンテナを使用して補償できますが、アンテナは指向性の狭いビーム幅を持っているため、メインビームの位置ずれを補償するにはビーム切り替え技術が必要です。 ビームスイッチングネットワークは、将来のテクノロジーの課題と期待に対処するために必要です。 これらは、高い電力効率、マルチユーザー システム、および広いスキャン範囲を備えた大規模なチャネル容量として要約できます。

ビーム切り替えフィード ネットワークとしてのバトラー マトリックス (BM) にさまざまな変更を加えると、前述の目標を達成できます 30、31、32、33、34。 BM にはカプラー、クロスオーバー、および電力分配器が含まれており、これらは特定の方法で設計および配置される必要があります。 PRGW および RGW カプラーに関する出版物がいくつかあります 35。 ３６では、既存の分岐線路結合器と結合線路方向性結合器３７を、結合器を構成する爪床とリッジによって実現している。 結果は満足のいくものですが、このように製造プロセスは困難です。 著者らは 38、39 で、結合モード理論に基づいてシリコン プラットフォーム上の方向性結合器を研究しました。 ミリ波周波数でも使用できますが、結合が弱く、用途を制限する位相差がありません。

In40 では、新しい構造を備えたプリント RGW カプラーが導入され、良好なインピーダンス帯域幅を提供するだけでなく、出力位相と振幅の不均衡もほとんどありません。 コネクタを構造に直接接続することは不可能であるため、この文書でも説明されているマイクロストリップ遷移線を使用する必要があることに注意してください。 他のミリ波周波数帯域でより柔軟な構造を可能にする、数式を使用した別の同様の構造が提案されています 41。 著者らは 42、43 で、5G 通信用の薄型ハイブリッド方向性結合器を設計しました。 さらに、入力電力を 0° または 180° の位相差で分割する機能を持つ Rat-Race カプラーが、PRGW テクノロジーによって 44 に実装されています。

ただし、前述のカプラは広いインピーダンス帯域幅を持ち、出力振幅と位相の不均衡が発生するため、構造全体が狭帯域になるため、方向性カプラを含むミリ波周波数で広帯域の給電ネットワークを設計することはできません。 また、表面波の伝播を回避する高インピーダンス表面として機能するように構造の周囲に配置された EBG ユニット セルの結果として、シミュレーション プロセスは困難になります。 したがって、設計プロセスを容易にするためには、適切な境界条件が必要です。 この状況では、EBG ユニットセルを一次構造にする必要はありません。 必要な結果が得られたら、最終的な最適化のために、高インピーダンス表面を備えた完全なカプラーがシミュレートされます。 提案された手順によりシミュレーション時間が短縮され、完全な最適化設計プロセスからは得るのが難しい望ましいパフォーマンスが得られます。 この技術を使用して、超広帯域 PRGW 3 dB ハイブリッド カプラは、25 ～ 40 GHz の周波数範囲にわたって 46% の帯域幅の反射係数と -10 dB 未満の分離を得るように設計されています。

提案された設計手順の結果として素晴らしい結果が達成されました。この手順は、設計段階で EBG を回避することで設計を容易にするだけでなく、EBG 構造とリッジ内の釘の位置決めを排除することで非常に優れた性能を達成することも可能にします。 これらの構造では、メッシュ サイズが大幅に増加するため、シミュレーション時間が大幅に増加します。 提案された設計手順はカプラーの設計に適用されますが、大規模な構造の設計にも適用でき、膨大な時間と労力を節約できます。 私たちの論文の新規性は、RGW 構造の新しい設計方法を導入するだけでなく、ミリ波周波数における同様の研究と比較して最高の性能を持つ広帯域カプラを設計することです。

このセクションでは、PRGW テクノロジーに基づく広帯域ハイブリッド カプラーの段階的な設計手順を説明します。 まず、リッジを囲む周期的な正方形の EBG ユニット セルは、漏れを抑制し、5G アプリケーションに必要な 24 ～ 45 GHz の広いバンドギャップ範囲を生成するために適切な寸法で設計されています。 一次カプラの設計を容易にするために、EBG ユニット セルと上部導体の間で得られたエア ギャップ高さに関する境界条件が定義されます。 従来の分岐線カプラは、方法の堅牢性を検証するために、提案された境界条件によって設計されています。 続いて、同じ提案された境界条件を持つ広帯域ダブルボックス ハイブリッド カプラーがシミュレーションされます。 望ましい結果が得られたら、EBG ユニット セルが構造に適用され、最終的な最適化が実行されます。 最後に、製造された構造のパラメータが評価され、シミュレーション結果と比較されます。

理想的な RGW は、完全電気導体 (PEC) および完全磁気導体 (PMC) の平行板導波路構成に関連する基本的なカットオフ帯域を利用します。 ギャップ高さ (H) と呼ばれる 2 つの表面間の間隔が波長の 4 分の 1 (λ/4) 未満である限り、PEC 表面と PMC 表面の間の空隙には伝播磁界は存在しません。 。

図 1 には、提案されたコンセプトの理想的な形式が示されていますが、RGW では明らかなように、金属ストリップ、特にリッジが PMC 表面で囲まれています。 導波路キャビティの高さを λ/4 より小さくすると、PEC-PEC 表面が PMC-PEC 表面と同様に全方向の漏れを抑制するため、電磁波 (EM) が上部導体とリッジの間を伝播できます。

(a) PEC プレートと PMC プレートで構成される 2 つの平行プレート内の電界伝播、および (b) 理想的な RGW の単一テクスチャ側。

ただし、PMC は自然界には存在しないため、特定の帯域幅で PMC の動作を模倣する人工磁気導体 (AMC) によって実現されます45。 EBGユニットセルは上記の特性を満たすAMCであるため、その周期がRGWの変形形状を印刷したPRGW構造に使用されます。 この周期部分は、特定の阻止帯域内のリッジと上部導体の間の領域外への電磁波の漏洩を阻止するために使用されます。 図 2 は、コンピュータ シミュレーション テクノロジ (CST) (固有モード ソルバー) を使用して取得された、EBG ユニット セルと広い周波数範囲にわたるその分散図を示しています。 周期境界条件は、EBG ユニットセル構造全体をモデル化するために使用されます。 固有モード ソルバー パラメーター スイープは、ポートを使用せずに、周期境界に割り当てられた位相をステップ実行するために使用されます40、46。 24 GHz から 45 GHz までの周波数ギャップと同様に、伝播定数の値はゼロであるため、前述の周波数範囲では EBG ユニット セルが PMC として機能し、伝播が抑制されると結論付けられます。 正方形の接地パッチと上部導体間の空気で満たされたギャップの高さは、完全な境界条件を定義する上で重要な役割を果たします。 ここで使用される基板は、誘電率 2.94、高さ 0.762 mm の Rogers RT 6002 であることにも言及する価値があります。 パッチは長さと幅が 1.2 mm の正方形で、空気で満たされた領域の高さは 0.254 mm です。

PRGWの構造設計。 (a) CST Microwave Studio での EBG ユニットセル設計の周期境界条件。 (b) PRGW ガイド構造の断面、(c) 正方形 PRGW ユニットセルの分散図 (Wcell = 1.6、Gap = 0.254、hs = 0.762、Wr = 1.34、P = 1.4 (すべて mm))。

特定の境界条件を説明するために、従来のシングルボックス分岐線カプラーが提案されています 47,48。 図 3 は、CST Microwave Studio で 28 GHz で動作するカプラーの構成を示しています。 構造はEBGユニットセルを持たない支線結合器パッチとその上に配置されたPEC面としての金属板のみで構成されています。 カプラー パッチと PEC の間の空気で満たされたギャップは、ユニット セルの設計プロセスですでに決定されており、前のセクションの CST ソフトウェア (固有モード ソルバー) を使用して取得されます。 境界条件について話すときは、カプラー パッチに接触する平面に対して Zmin = 0 で EBG 周期構造を使用する代わりに、PMC 条件 (Ht = 0) を定義する必要があることに注意してください。他の面の開いた境界条件については、図 3b を参照してください。 明らかなように、構成は非常に単純なので、結果を観察するのに数分かかります。 しかし、既存の設計手法を踏襲したい場合はそうではありません。 図 4 は、カプラーの散乱パラメータを示しています。 27 ～ 29 GHz の領域での振幅の不均衡は許容範囲内であるため、構造は非常に狭帯域になります。 また、周波数帯域全体で位相差の不均衡が許容されることも指摘しておく必要があります。 次のステップでは、設計された EBG ユニット セルがカプラーの周囲に配置され、ブランチ自体は一連のビアによって接地されます (図 5)。すべてのパラメータと長さは、ユニット セルの図 1 とほぼ同じです。カプラーについては図 3 を参照してください。 キノコの間隔も0.2mmです。 図 6 は、支線カプラの周囲に EBG ユニット セルを適用して得られた結果を示しています。

単箱の支線カプラー。 (a) 基本回路図、(b) CST Microwave Studio の特定の境界条件 (W1 = 1.3、W2 = 2.1、Wf = 1.34 (すべて mm))。

完全な境界条件を備えたシングルボックス支線カプラーのシミュレーション結果。 (a) 散乱パラメータ、(b) 出力ポート間の位相差 (Φ (S21) – Φ (S31))。

従来のPRGW支線カプラの構成。

EBG ユニット セルを備えたシングルボックス分岐カプラーのシミュレーション結果。 (a) 散乱パラメータ、(b) 出力ポート間の位相差 (Φ (S21) – Φ (S31))。

図 6a から、結果が特定の境界条件を持つカプラーから得られた結果と完全に一致していることが明らかです。 27 ～ 29 GHz の周波数範囲では、振幅出力信号間の不均衡が満足のいくものであるため、反射係数と分離はほぼ許容可能です。 さらに、図 6b から、出力信号間の位相差はどちらの条件でも間違いなく互いに非常に近いことが観察されます。 アンバランスは 2° 未満です。 全体として、提示された手順は PRGW テクノロジーに基づいて構造を設計する際の強力なツールであると結論付けることができます。

従来の分岐線カプラでは、広い周波数範囲を考慮すると出力振幅間の不均衡がますます大きくなるため、狭帯域構造が生じます。 これは、カプラーが組み込まれるシステムの性能を妨げます。 たとえば、広帯域バトラー マトリックス ネットワークでカプラーを使用すると、狭帯域カプラーにいくつかの問題が発生します。 したがって、帯域幅を改善する 1 つの方法は、支線の後にデュアル ボックス 3 dB カプラとして別のセクションを追加することです。 これにより、アームの特性インピーダンスが変化します。 ただし、その長さは直交波長のままです48。 図7aは提案された構造の概略図を示し、図7b、cはそれぞれ理想的な状況における構造の遷移、反射係数および位相差を示しています。 振幅の不均衡が小さく、広い周波数帯域にわたって許容できるという事実により、結果は完全に満足のいくものです。 これは、最初のボックスの動作に近い周波数で動作する 2 番目のボックスにその根があり、その結果、構造が広帯域になります。 次のステップでは、全波ソルバー ツールである CST Microwave Suite を使用して、特定の境界条件で構造をシミュレーションします。これは、マッシュルーム単位セルを使用せずに望ましい結果を達成するのに役立ちます。 図 8 は、シミュレーション結果にできるだけ早く到達できるようにする、提案された境界条件におけるカプラーを示しています。 図 9 は、境界条件を考慮した広帯域カプラの散乱パラメータを示しています。 25 GHz から 40 GHz までの周波数範囲では、出力振幅の不均衡は ± 1 dB 近くであり、出力ポート間の位相差は ± 5° であることに注意してください。 これらの特性は、現在のミリ波ハイブリッド カプラーと比較して独特です。

ダブルボックスの理想的なハイブリッドカプラー。 (a) 基本回路図、(b) 散乱パラメータ、(c) 出力ポート間の位相差 (Φ (S21) – Φ (S31))。

(a) ダブルボックス ハイブリッド カプラーの幾何学的構成、(b) CST Microwave Studio の特定の境界条件 (c = 1.3、W1 = 1.02、W2 = 1.67、W3 = 1.62、Wr = 1.34、L1 = 1.12、 L2 = 1.54、L3 = 2.62、L4 = 1、Lc = 2.46 (すべて mm))。

特定の境界条件を使用したダブルボックス カプラーのシミュレーション結果。 (a) 散乱パラメータ、(b) 出力ポート間の位相差 (Φ (S21) – Φ (S31))。

特定の境界条件を使用して広帯域ハイブリッド カプラを設計した後、図 10 に示すように EBG ユニット セルを適用します。広帯域カプラの出力ポート間の S パラメータと位相差を図 11 に示します。図 11a から明らかなように、この構造の -10 dB インピーダンス帯域幅は 25 ～ 40 GHz であり、入力信号はほぼ 2 つの等しい信号に分割され、この周波数帯域にわたって出力ポートから受信されます。 ユニットセルの動作を参照すると、ユニットセルのストップバンド領域全体がうまく利用されていると結論付けられます。 ただし、従来の円形 EBG ユニット セルが使用される場合、そのような帯域幅は達成できません。 また、図１１ｂから、出力信号間の位相差が広い周波数範囲にわたって約９０°であることが明らかである。 位相の不均衡は±5°近く、振幅の不均衡は約1 dBであることに注意してください。 したがって、提案された境界条件によって、マッシュルーム単位セルを使用せずに構造を最適化し、アームのサイズやアームの長さを含む達成されたパラメーターを使用して最終的な PRGW カプラーに到達する最も簡単な方法であると主張できます。

(a) ブロードバンド ハイブリッド カプラーのブロック図、(b) 3-D ビュー、(b) 上面図 (明確に示すために上部の地面は削除されています)。

広帯域PRGWカプラのシミュレーション結果。 (a) 散乱パラメータ、(b) 出力ポート間の位相差 (Φ (S21) – Φ (S31))。

完全な境界条件を備えた二重カプラ構造と EBG ユニット セルを備えた構造の結果は近いですが、二重カプラの結果は単一カプラと比較して完全な結果から大きく異なります。 この違いは、ダブルボックスカプラの構造がシングルカプラよりも複雑であり、ダブルボックスカプラで使用されるEBGユニットセルの数がシングルカプラよりも多いためです。

前に述べたように、測定目的で SMA コネクタを PRGW 構造に直接接続することはできないため、マイクロストリップ ラインから PRGW への移行ラインが必要です。 90° ベンド遷移の概略図を図 12a、b に示します。 ここでは、ユニットセルと上部導体の間に必要なギャップ高さと同等の厚さを備えた Rogers RT 6002 を使用して、50 Ω の特性インピーダンスを持つ伝送線路を提供します。 その後、このマイクロストリップ ラインが対応する PRGW に接続され、最後に遷移が実行されます。 考慮すべき重要な点の 1 つは、遷移線の反射係数が -10 dB 未満でなければならず、その遷移係数が動作周波数帯域全体で約 0 dB である必要があるという事実に関連しています。 伝送線路の性能を検証するために、伝送線路は個別に設計およびシミュレーションされます。 図 12c は、構造の S パラメータを示しています。 25 ～ 40 GHz の周波数帯域全体にわたって、信号は最小の反射と最大の遷移係数でポート 1 からポート 2 に転送されます。 このような伝送線は、図12bに示すようにPRGWカプラと統合されており、これについては次のセクションで説明します。 さらに、線路に使用される EBG ユニット セルが主構造に使用されるものと同じであることを考慮する必要があります。

マイクロストリップから PRGW への移行を備えた 90° ベンド PRGW のブロック図。 (a) 側面図、(b) 上面図、(c) 散乱パラメータ (Wm = 0.633 mm)。

広帯域カプラを設計したら、シミュレーションで得られた結果を検証するために製造および測定します (図 13a を参照)。 2.92 mm エンドランチ SMA コネクタが測定セットアップに使用されます。 私たちの期待は、実行されたシミュレーションで達成されるように、24 ～ 40 GHz の周波数範囲にわたって反射係数と -10 dB 未満のアイソレーションを取得することです。 また、励磁入力ポートに応じて、±90°の位相差を持つ 2 つの等しい信号を使用することが当社のお気に入りです。 ただし、前述したように、1 dB の振幅不均衡と ± 5° の位相不均衡は、多くのアプリケーションで許容されます。 これらすべてを念頭に置いて、図 13c に示す測定セットアップが行われます。 カプラは完全に対称であるため、両方の入力ポートの散乱パラメータを測定する必要はありません。 さらに、図１３ｂに示すＴＲＬ（スルーリフレクトライン）校正キットは、ネットワークアナライザを局所的に校正するために製造される。 入手可能なネットワーク アナライザの校正に必要なリフレクト、ショート、スルー、ライン回路が 1 つのパッケージに統合されています。 また、前のセクションで設計した伝送ラインが PRGW カプラーおよび TRL 校正キットと完全に統合されていることも明らかです。 測定結果を図 14 に示します。インピーダンス帯域幅は、図 14a に示す周波数範囲全体をカバーしています。 ただし、シミュレーション結果と測定結果にはいくつかの違いがあります。 これは、軽微な製造エラーや避けられない接続問題の結果として当てはまります。 出力の振幅と位相について話すと、望ましい結果が得られることが容易にわかります。 25 GHz から最大 39 GHz までの周波数で、定義された不均衡が考慮されます。 したがって、PRGW 構造の設計において特定の境界条件を利用した提案方法は信頼性が高く、設計プロセスを加速すると結論付けることができます。

(a) 提案された広帯域 PRGW カプラの製造、(b) TRL 校正キット、(c) 測定セットアップ。

提案された広帯域 PRGW カプラのシミュレーションと測定の結果。 (a) 散乱パラメータ、(b) 出力ポート間の位相差 (Φ (S21) – Φ (S31))。

カプラーの性能を評価し、既存の研究と比較するために、ミリ波アプリケーションの有望な技術であるガイド構造に焦点を当てた表 1 を示します。 文献に記載されている 3 dB ハイブリッド カプラーのほとんどは、帯域幅が最大 18% と狭く、出力位相と振幅の不均衡が大きくなります40、43、49、50、51、52。 提供されているカプラー 41、42 は、サイズが大きいにもかかわらず、それぞれ 26.5% と 26.6% という広いインピーダンス帯域幅を持ち、出力位相と振幅の不均衡が低くなります。 in53 の著者は、26.4% の帯域幅を提供する SIGW ハイブリッド カプラを設計しました。 ただし、振幅と位相のバランスが弱いです。 提案された PRGW カプラのサイズは、30 GHz の周波数中心で 1.1λg × 0.75λg で、25 ～ 40 GHz の周波数帯域全体にわたって分離および反射損失は -10 dB 未満です。 出力の不均衡が 1 dB 未満である周波数帯域を考慮すると、提案されたカプラは最も広い帯域幅を提供します。 さらに、提案されたカプラは、90° ± 5°、つまり 25 ～ 39 GHz の間の不均衡を伴う 43% の位相平衡帯域幅を提供します。 この結果は、この論文で提案したハイブリッド カプラが、ミリ波周波数において PRGW、RGW、SIW などの最先端のガイド構造技術を使用して実装された同様の研究と比較して最高のパフォーマンスを発揮するという事実を示しています。

この論文では、PRGW 構造の設計を容易にするために特定の境界条件が提示されました。 提案された境界条件を利用して、広帯域デュアルボックス ハイブリッド カプラが設計、製造、測定されました。 カプラーの 2 つの隣接するポート間の反射損失と分離は、25 ～ 40 GHz の周波数範囲で 46% の -10 dB 未満です。 なお、出力振幅アンバランスが１ｄＢ未満となる帯域は２６～３９ＧＨｚである。 これは、出力位相不均衡が±5°以内の帯域に当てはまります。 この研究と既存の対応物との比較は、提案されたカプラが、広帯域コンポーネントを必要とする給電ネットワークでの使用を可能にする前例のない特性を備えていることを示しています。

現在の研究中に使用および/または分析されたデータセットは、合理的な要求に応じて責任著者から入手できます。 ザフラ・ムーサヴィラジ ([email protected])。

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この研究は、ケベック自然技術財団 (FRQNT) によって部分的に支援されました。

国立科学研究研究所 (INRS)、モントリオール、H5A 1K6、カナダ

ザーラ・ムサヴィラジ、ハッサン・ナセリ・ゲイサナブ、タイエブ・A・デニドニ

アシュート大学工学部電気工学科、アシュート、エジプト

モハメド・マムドゥ・M・アリ

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ザーラ・ムーサヴィラジへの通信。

著者らは競合する利害関係を宣言していません。

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転載と許可

Mousavirazi、Z.、Ali、MMM、Gheisanab、HN 他。 PEC/PMC 導波路モデルを使用した超広帯域 PRGW ハイブリッド カプラの解析と設計。 Sci Rep 12、14214 (2022)。 https://doi.org/10.1038/s41598-022-18343-0

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受信日: 2022 年 4 月 21 日

受理日: 2022 年 8 月 9 日

公開日: 2022 年 8 月 20 日

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-022-18343-0

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