一種Ku波段波導(dǎo)－微帶轉(zhuǎn)換器的研制

宋志東 康 穎

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

采用微帶的毫米波集成電路往往都必須包含波導(dǎo)——微帶過渡接口。在實(shí)際應(yīng)用中，過渡器的一個不可忽視的附加因素是氣密要求。很多微帶電路，特別是軍用微帶電路，為保證能在各種惡劣環(huán)境條件下性能的穩(wěn)定性，對系統(tǒng)的氣密性提出了更高的要求。另外，目前的微波毫米波電路正在向小型化的趨勢發(fā)展，為了便于整體電路的小型化設(shè)計(jì)，過渡器的體積和接口方向也成為一個重要的考慮因素。

目前過渡形式主要存在以下方式:鰭線過渡、小孔耦合、脊波導(dǎo)過渡以及E-面探針方式等，這些形式各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同場合。本設(shè)計(jì)采用微帶-脊波導(dǎo)-波導(dǎo)過渡，在保證氣密的基礎(chǔ)上，將射頻能量從直通方向引出。

2 基本原理

微帶-脊波導(dǎo)-波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)是以阻抗?jié)u變的形式由矩形波導(dǎo)向微帶轉(zhuǎn)換的。這種結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)在于:1.基片整體尺寸小，便于加工制作;2.脊波導(dǎo)過渡無電路諧振問題，因而適用于寬帶電路。

脊波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖1所示，該圖所示為一個單脊波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，其特性阻抗為:

圖1 脊波導(dǎo)截面圖

其中:

因而，脊波導(dǎo)的脊寬W可由己知的a，b，g(g=h)和Z0=50Ω通過上式求解。

階梯脊結(jié)構(gòu)是把矩形波導(dǎo)的主模波阻抗變化到微帶特性阻抗以實(shí)現(xiàn)過渡目的。這種脊由若干個1/4λ減高波導(dǎo)段組成，以便使波導(dǎo)高度從b逐漸變化到微帶基片的厚度。實(shí)驗(yàn)證明，采用四個階梯，即一個導(dǎo)行波長長度，就可提供全頻段帶寬。這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是可以把過渡段埋在波導(dǎo)內(nèi)，因而不會增大整個電路體積。在這種結(jié)構(gòu)中，減少階梯數(shù)目就能縮短過渡段的物理長度，從而使設(shè)計(jì)更為緊湊，但是這樣也會減小帶寬。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，可以根據(jù)具體的工作帶寬選擇階梯數(shù)目。本處結(jié)合實(shí)際應(yīng)用情況，采用了四個階梯脊結(jié)構(gòu)過渡。

對于波導(dǎo)到微帶過渡可看成非50Ω傳輸系統(tǒng)過渡到50Ω傳輸系統(tǒng)的問題，也就是阻抗變換問題。而阻抗變換的理論已經(jīng)比較成熟，根據(jù)實(shí)際結(jié)構(gòu)，這里采用的是1/4波長多節(jié)變換器(圖2)。在綜合設(shè)計(jì)時，切比雪夫多項(xiàng)式在給定駐波比時其長度最小，其元件值可查［1］，現(xiàn)已被廣泛使用。

圖2 四分之一波長多節(jié)變換器原理圖

3 仿真設(shè)計(jì)

波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖3所示。整個轉(zhuǎn)換器的微帶端口采用波珠與射頻前段進(jìn)行連接，保證了氣密性。

圖3 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)示意圖

跟據(jù)理論分析以及相關(guān)公式可以得到4級階梯脊波導(dǎo)的相關(guān)結(jié)構(gòu)尺寸，利用Ansoft公司的商用軟件HFSS11建立模型進(jìn)行仿真優(yōu)化(圖4)。

圖4 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)仿真模型

首先確定脊波導(dǎo)在整個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中的位置，發(fā)現(xiàn)脊波導(dǎo)與微帶端口之間的間距會對仿真結(jié)果產(chǎn)生一定影響。在不影響加工的前提下，選取了一個較好的結(jié)果;其次對脊波導(dǎo)各級相關(guān)變量進(jìn)行微調(diào);最后考慮到加工誤差對性能的影響，對整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行誤差預(yù)分析，盡量去除對加工誤差敏感的細(xì)微處，以提高加工成品率。最后得到的相關(guān)尺寸如下(圖3):

仿真結(jié)果如圖5所示。

從仿真結(jié)果中可以看出，設(shè)計(jì)的過渡結(jié)構(gòu)在13GHz—17GHz頻率范圍內(nèi)有良好的性能，插入損耗小于0.2dB，端口駐波系數(shù)小于1.4。

圖5 波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

4 樣件制作及測試

根據(jù)仿真結(jié)果制作樣品，樣品采用黃銅加工，表面鍍金制作，如圖6所示。

用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀5244A測試樣件，在13GHz－17GHz頻段內(nèi)，測試數(shù)據(jù)見圖7(為便于測量，微帶端口接有 SMA接頭)，端口駐波系數(shù) ＜1.35，兩只轉(zhuǎn)換器波導(dǎo)口背靠背測試所得插損＜0.9dB。

由測試結(jié)果可以得出，每個轉(zhuǎn)換器的插入損耗小于0.5dB，駐波系數(shù)小于1.35，實(shí)際測量結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。由于加工誤差，導(dǎo)致微帶線與脊波導(dǎo)相壓過緊耗在(圖3)，測試的端口駐波系數(shù)和插入損14GHz－15GHz略有惡化。

5 總結(jié)

本文介紹了一種直通方向的波導(dǎo)—脊波導(dǎo)—微帶過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，這種結(jié)構(gòu)與其他常用的過渡結(jié)構(gòu)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于既解決了波導(dǎo)—微帶探針過渡、波導(dǎo)—鰭線—微帶過渡等結(jié)構(gòu)普遍存在的氣密性的問題，而且具有波導(dǎo)接口—脊波導(dǎo)—微帶線直通的連接方向，比傳統(tǒng)的幾種過渡結(jié)構(gòu)更有利于小型化集成。

［1］董在望等.通信電路原理［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］David M.Pozar.微波工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［3］Reinhold Ludwigd等.射頻電路設(shè)計(jì)［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2006.

［4］朱大紅，齊峰.Ka波段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)［J`］.微波學(xué)報，2008，10.