第三章 設計與模擬
3.5 基板整合波導混成耦合雙工器
由 2.6 節所述的混成耦合雙工器理論，結合基板整合波導，完成此節之基板整 合波導混成耦合雙工器。需要使用 3dB 垂交混成器及帶通濾波器，垂交混成器部 分沿用[21]之設計，而帶通濾波器則是根據 3.1 節方法設計出所需的 84 GHz 及 93 GHz 頻寬 5%帶通濾波器。圖 3-48 是中心頻 93 GHz 帶通濾波器電路圖， 表 3-22 是其物理尺寸，圖 3-49 是頻率響應圖，其通帶穿透損耗 0.7dB，反射損耗皆超過 25dB；圖 3-50 是中心頻 84 GHz 帶通濾波器電路圖，表 3-23 是其物理尺寸， 圖 3-51 是其頻率響應圖，其通帶內穿透損耗 0.7dB，反射損耗皆超過 22dB，
圖 3-48 中心頻 93 GHz 頻寬 5%帶通濾波器電路圖
表 3-22 中心頻 93 GHz 頻寬 5%帶通濾波器物理尺寸(單位：mm) Lg1 Lg2 Lf1 Lf2 W LP
0.825 1.13 1.275 1.148 2 0.2
42
Frequency (G Hz)
70 75 80 85 90 95 100 105 110
Magnitude of S Parameter [dB]
-50 -40 -30 -20 -10 0
S21 S11
圖 3-49 中心頻 93 GHz 頻寬 5%帶通濾波器頻率響應圖
圖 3-50 中心頻 84 GHz 頻寬 5%帶通濾波器電路圖
表 3-23 中心頻 84 GHz 頻寬 5%帶通濾波器物理尺寸(單位：mm) Lg1 Lg2 Lf1 Lf2 W LP
0.9 1.214 1.47 1.323 2 0.2
Frequency (G Hz)
70 75 80 85 90 95 100 105 110
Magnitude of S Parameter [dB]
-50 -40 -30 -20 -10 0
S21 S11
圖 3-51 中心頻 84 GHz 頻寬 5%帶通濾波器頻率響應圖
帶通濾波器設計完成後，接著要設計的部分是如何將垂交混成器與帶通濾波 器結合。將[21]的垂交混成器端口延伸，作為與帶通濾波器連接部分，為了避免兩 個濾波器之間產生耦合互相影響，所以稍微分開，圖 3-52 為端口分開垂交混成器 電路圖，表 3-1 表 3-24 為其物理尺寸。
圖 3-52 端口延伸並分開垂交混成器電路圖
44
表 3-24 垂交混成器物理尺寸(單位：mm)
L Lp LS LR Lm W Wp WS
2.08 0.2 2.32 1.2 0.4 2.9 2 0.75
將上面設計的垂交混成器對接，測試混成耦合多工器的理論應用在此種架構 的效果。並在中間加上一小段基板整合波導，若效果好，再於基板整合波導中間 加入控制耦合量的貫孔即可完成帶通濾波器，也就是於單一通帶完成混成耦合多 工器理論的設計。圖 3-53 是垂交混成器端口分開並對接電路圖，圖 3-54 為其頻 率響應圖，此時未加入帶通濾波器，根據理論 Port 1 輸入的能量，應完全進入 Port 4，而 Port 2 及 Port 3 完全無能量， 但是模擬結果於 80 GHz 以下及 100 GHz 以上，
S41有大幅衰減的趨勢。
圖 3-53 垂交混成器端口延伸並分開對接電路圖
Frequency (G Hz)
70 75 80 85 90 95 100 105 110
Magnitude of S Parameter [dB]
-50 -40 -30 -20 -10 0
S21 S11 S31 S41
圖 3-54 垂交混成器端口分開並對接頻率響應圖
將圖 3-48 設計的帶通濾波器結合圖 3-53 的對接垂交混成器，也就是在中間 的基板整合波導加入貫孔，完成圖 3-55 中心頻 93 GHz 頻寬 5%單一頻段混成耦合 多工器。根據理論 Port1 輸入的能量，經此架構後，僅於 Port 4 收到帶通濾波器通 帶的能量，圖 3-56 為其頻率響應圖，效果不理想，所以再進行架構的修改。
圖 3-55 中心頻 93 GHz 頻寬 5%端口延伸並分開單一頻段混成多工器電路圖
46 Frequency (G Hz)
70 75 80 85 90 95 100 105 110
Magnitude of S Parameter [dB]
-50 -40 -30 -20 -10 0
S21 S11 S31 S41
圖 3-56 中心頻 93 GHz 頻寬 5%單一頻段混成多工器頻率響應圖
端口分開後頻率響應不理想，推測是由於波導進行轉彎造成，考量貫孔間距 極小，彼此間的耦合量不大，所以將垂交混成器端口直接延伸，圖 3-57 為端口延 伸垂交混成器電路圖，表 3-25 為其物理尺寸。
圖 3-57 端口延伸垂交混成器電路圖
表 3-25 端口延伸垂交混成器物理尺寸(單位：mm)
L Lp LS LR Lm W Wp
2.08 0.2 2.2 1.2 0.4 2.9 2
圖 3-58 是垂交混成器端口延伸並分開對接電路圖，中間加入一段基板整合波 導，測試不加帶通濾波器，Port 1 輸入的能量是否能盡數到達 Port 4。圖 3-59 是其 頻率響應圖，可看出通帶大幅改善，端口分開之架構，S41僅於 83 GHz 至 98 GHz 有較好表現，改良後於 75 GHz 至 104 GHz 皆有不錯表現，符合本論文中所使用的 帶通濾波器頻段，所以採用此種架構。
圖 3-58 垂交混成器端口延伸對接電路圖
48 Frequency (G Hz)
70 75 80 85 90 95 100 105 110
Magnitude of S Parameter [dB]
-50 -40 -30 -20 -10 0
S21 S11 S31 S41
圖 3-59 垂交混成器端口延伸對接頻率響應圖
加上中心頻 93 GHz 的帶通濾波器，測試單一頻段的混成耦合多工器是否能正 常運作。圖 3-60 為中心頻 93 GHz 頻寬 5%端口延伸單一頻段混成多工器電路圖，
圖 3-61 為其頻率響應圖，可看出雖然 dip 消失了，但 S11有較好表現，穿透損耗 3dB，中心頻 93 GHz 頻寬 5%，與設計相同。
圖 3-60 中心頻 93 GHz 頻寬 5%端口延伸單一頻段混成多工器電路圖
Frequency (G Hz)
70 75 80 85 90 95 100 105 110
Magnitude of S Parameter [dB]
-50
50
圖 3-62 基板整合波導混成耦合雙工器電路圖
Frequency (G Hz)
70 75 80 85 90 95 100 105 110
Magnitude of S Parameter [dB]
-50 -40 -30 -20 -10 0
S21 S11 S31 S41
圖 3-63 基板整合波導混成耦合雙工器頻率響應圖