基于Quasi-Yagi天線結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)-微帶背靠背過渡

胡皓全，曹紀(jì)綱

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院 成都 610054)

隨著毫米波技術(shù)在無線通訊和雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用的不斷增多，低成本、高可靠性的毫米波單片集成電路(MMIC)的使用也日趨廣泛。在MMIC毫米波接收系統(tǒng)中，對(duì)各個(gè)MMIC之間的連接采用的是微帶線。而現(xiàn)有的毫米波測(cè)試系統(tǒng)采用的是矩形波導(dǎo)接口，就要求在使用MMIC的系統(tǒng)中尋找一種低成本、低損耗、易制造的寬帶矩形波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)微帶過渡。目前常用的過渡結(jié)構(gòu)有階梯脊波導(dǎo)過渡[1]、對(duì)脊鰭線過渡[2-4]及耦合探針過渡[5-6]等。這些過渡結(jié)構(gòu)帶寬較寬(在10%～20%的帶寬內(nèi)回波損耗在15 dB以下)，插入損耗小。其中階梯脊波導(dǎo)過渡加工復(fù)雜，耦合探針過渡因波導(dǎo)出口方向與電路平行，使其不滿足很多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求。

文獻(xiàn)[7-8]研究出一種新型的CPS(共面線)結(jié)構(gòu)的Yagi輻射天線，它主要由一個(gè)諧振型天線(<λ0/2)構(gòu)成，能夠覆蓋非常寬的帶寬(將近68%)。這種Quasi-Yagi天線利用了一種在高介電常數(shù)的基片上傳播的表面波和一個(gè)endfire輻射天線。本文把這種新型Yagi天線應(yīng)用于波導(dǎo)微帶線的過渡結(jié)構(gòu)中，通過電磁仿真軟件對(duì)這種新型過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)仿真，并給出了結(jié)構(gòu)的容差分析。

1 過渡設(shè)計(jì)

過渡設(shè)計(jì)中用到的Quasi-Yagi天線如圖1所示。天線分為A、B兩區(qū)，其中A區(qū)為天線輻射部分，包括3個(gè)半波振子天線；B區(qū)為天線饋電(微帶-共面線過渡巴倫)，包括1個(gè)截?cái)嗟慕拥孛婧?個(gè)過渡巴倫。

這種過渡結(jié)構(gòu)與微帶探針結(jié)構(gòu)相似，即都為插入波導(dǎo)E平面與波導(dǎo)形成一種電耦合。由圖1可知，過渡結(jié)構(gòu)的寬度應(yīng)該與波導(dǎo)窄邊一致。B區(qū)和A區(qū)的區(qū)別在于天線饋電部分，B區(qū)基片下面附著一層金屬接地面，而A區(qū)基片下面無附著金屬。

圖1 Quasi-Yagi天線圖

1.1 微帶-共面線過渡巴倫設(shè)計(jì)[7]

巴倫是整個(gè)天線的關(guān)鍵部分，其結(jié)構(gòu)尺寸如圖2所示。

圖2 微帶-共面線過渡巴倫

微帶線通過一個(gè)T型接頭與共面線(CPS)相連接，微帶線寬為50 Ω，Wt通過優(yōu)化為37.5 Ω。巴倫設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是相移部分，為了能夠讓共面線上傳輸奇模，本文采用如圖所示的結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的移相器產(chǎn)生180°的相移，能夠讓共面線上傳輸奇模，即應(yīng)該滿足為波導(dǎo)波長(zhǎng))。在巴倫部分中有許多直角拐角，為了減少回波損耗，對(duì)拐角進(jìn)行了優(yōu)化[9]。

1.2 天線輻射部分設(shè)計(jì)

如圖1所示，本文采用半波振子天線作為輻射單元，作為單一的半波振子天線，它方向圖的前后比不高，在其之前又加了兩個(gè)輻射單元作為電磁場(chǎng)引導(dǎo)部分以增加方向系數(shù)，其中各個(gè)單元的尺寸和位置，Yagi已經(jīng)做了詳細(xì)論述并給出了圖表以供參考[10]。設(shè)計(jì)需要天線工作在整個(gè)X波段，圖3為設(shè)計(jì)得到的天線方向圖。由圖3可知，天線的方向性較單一的半波振子天線得到了提高，且能夠與波導(dǎo)進(jìn)行有效的電場(chǎng)耦合作用，這種結(jié)構(gòu)可以作為微帶波導(dǎo)過渡。

圖3 三階半波振子天線方向圖

2 背靠背設(shè)計(jì)

本文運(yùn)用Quasi-Yagi天線，設(shè)計(jì)了一種波導(dǎo)-微帶背靠背過渡結(jié)構(gòu)，該過渡結(jié)構(gòu)工作在X波段，微帶和共面線基片采用鋁制基片，其中εr=9.9，厚度h=0.635，整個(gè)結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 波導(dǎo)-微帶背靠背過渡結(jié)構(gòu)

由圖可以看出，過渡結(jié)構(gòu)是從E面伸入到波導(dǎo)腔內(nèi)，與波導(dǎo)可以產(chǎn)生電耦合。

圖5 過渡結(jié)構(gòu)S21參數(shù)

通過仿真軟件CST對(duì)圖4所示的背靠背結(jié)構(gòu)進(jìn)行電磁場(chǎng)的全波分析，仿真結(jié)果如圖5所示。由圖5看出，在整個(gè)X波段內(nèi)，過渡結(jié)構(gòu)的插入損耗最大值為0.7 dB，帶內(nèi)較為平坦，這也驗(yàn)證了本文把Quasi-Yagi天線用到過渡結(jié)構(gòu)中的可行性。并且通過電磁軟件得到了最優(yōu)結(jié)構(gòu)，尺寸如圖6所示。l1=3.3,l2=1.5,l3=3,l4=1.9,l5=2.75,ldir=4,ldri=7.2,ldirl=1,S5=0.4,S6=0.43,Sdir=3.4,Sdirl=1.4,Sref=1.6,W1=0.76,W2=1.2,W3=W4=0.6,W5=0.55,W6=0.3。

圖6 Quasi-Yagi天線尺寸標(biāo)記圖

3 容差分析

在實(shí)物加工工程中，由于加工工藝的誤差，難免造成最后成品的性能與仿真結(jié)果有較大差異，導(dǎo)致設(shè)計(jì)失敗。本文給出幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)對(duì)性能影響的容差分析，如圖7～9所示。

本文進(jìn)行容差分析時(shí)采用10%的誤差范圍，已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)物的加工誤差，由以上3圖可以看出，在關(guān)鍵尺寸變化10%的情況下，主要是對(duì)帶寬有大約1.1%的影響，S21性能改變較小，圖6所示的其他尺寸對(duì)性能基本無決定的影響。

圖7 參數(shù)Sref對(duì)S21性能的影響圖

圖8 參數(shù)l1對(duì)S21性能的影響圖

圖9 參數(shù)l5對(duì)S21性能的影響圖

4 結(jié) 束 語

本文設(shè)計(jì)了一種工作頻率覆蓋整個(gè)X波段，利用Quasi-Yagi天線的微帶-波導(dǎo)的背靠背過渡結(jié)構(gòu)，給出了Quasi-Yagi天線的設(shè)計(jì)方法和關(guān)鍵注意點(diǎn)，并通過電磁仿真軟件CST對(duì)設(shè)計(jì)的過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了全波分析，驗(yàn)證了這種過渡結(jié)構(gòu)的可行性，并得到了一個(gè)較好的S21曲線。為了彌補(bǔ)沒有做出實(shí)物的遺憾，對(duì)過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行關(guān)鍵參數(shù)的容差分析，分析結(jié)果顯示，在現(xiàn)有公差條件下，實(shí)物測(cè)試圖與仿真結(jié)果的一致性應(yīng)該較好，能滿足工程需要。

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