橫向Ka波段波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡的設(shè)計(jì)和優(yōu)化

劉途遠(yuǎn)

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院 國(guó)家863計(jì)劃強(qiáng)輻射實(shí)驗(yàn)室，四川 成都 610054）

微帶線作為毫米波集成電路中一種十分重要的傳輸形式，隨著目前毫米波集成電路的不斷發(fā)展，微帶電路正在越來(lái)越多的場(chǎng)合取代金屬波導(dǎo)，成為制作微波毫米波元器件的重要傳輸線。雖然如此，目前大多數(shù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備都還是以標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為其輸入接口的。因此，集成微帶電路的性能檢測(cè)就必須通過(guò)具有寬帶特性的波導(dǎo)—微帶過(guò)渡裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。并且，很多時(shí)候?yàn)榱吮阌诮ⅹ?dú)立微帶電路之間的連接，常常還需要電路從微帶電路輸入輸出端口通過(guò)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)過(guò)渡到矩形波導(dǎo)。此外，在需要將信號(hào)傳輸一段距離時(shí)，也必須將電路從微帶轉(zhuǎn)換至矩形波導(dǎo)，以降低傳輸?shù)膿p耗。因此，如何實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與微帶線的轉(zhuǎn)換就成了人們?nèi)找骊P(guān)注的課題[1]。

通常，對(duì)波導(dǎo)—微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)基本的要求[2]：

1）傳輸損耗要低，回波損耗要高，而且應(yīng)具有足夠的頻帶寬度。

2）裝卸容易，并且有良好的重復(fù)性和一致性。

3）轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)要與電路協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，并且要便于加工制作。

目前最常見(jiàn)的波導(dǎo)-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)主要有波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶過(guò)渡、波導(dǎo)-探針-微帶過(guò)渡、波導(dǎo)-對(duì)極鰭線-微帶過(guò)渡等。

其中，波導(dǎo)-探針-微帶過(guò)渡是目前應(yīng)用得最為廣泛的波導(dǎo)-微帶過(guò)渡形式，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)有：插入損耗低、回波損耗小、頻帶寬，而且結(jié)構(gòu)緊湊、體積小，加工方便、裝卸容易，因而特別適合在毫米波領(lǐng)域里應(yīng)用。

文中接下來(lái)便是研究一種橫向的波導(dǎo)-探針-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)。

1 波導(dǎo)-探針-微帶過(guò)渡理論分析

微帶探針實(shí)質(zhì)上是從同軸探針發(fā)展而來(lái)的。最根本的原理即是在波導(dǎo)寬邊開(kāi)條縫，通過(guò)一段起耦合作用的微帶線把波導(dǎo)中的電場(chǎng)耦合到微帶線上。當(dāng)從波導(dǎo)轉(zhuǎn)換至微帶時(shí)，探針即是相當(dāng)于一個(gè)接收小天線，將波導(dǎo)中的能量接收至微帶線上；而當(dāng)從微帶轉(zhuǎn)換至波導(dǎo)時(shí)，探針即是相當(dāng)于一個(gè)發(fā)射小天線，將微帶中的能量發(fā)射至波導(dǎo)中。

具體一點(diǎn)來(lái)講，就是當(dāng)從波導(dǎo)轉(zhuǎn)換至微帶時(shí)，沿探針?lè)较蚓哂蟹橇汶妶?chǎng)的波導(dǎo)模式比如TE模式會(huì)在探針上激勵(lì)出電流，從而激勵(lì)起電磁場(chǎng)，將波導(dǎo)內(nèi)的電磁場(chǎng)傳輸出去，同理，當(dāng)從微帶轉(zhuǎn)換至波導(dǎo)時(shí)，微帶線上TEM模向波導(dǎo)入射產(chǎn)生的電流也會(huì)激勵(lì)起相應(yīng)的波導(dǎo)模式。

目前用得最多的波導(dǎo)-探針-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)主要有兩種，一種是微帶平面的法向與波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播方向垂直，另一種是微帶平面的法向與波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播方向平行，結(jié)構(gòu)分別如圖1和圖2所示。

圖1 微帶平面與波傳播方向垂直Fig.1 Microstrip plane and wave propagation direction are perpendicular

圖2 微帶平面與波傳播方向平行Fig.2 Microstrip plane and wave propagation direction are parallel

矩形波導(dǎo)中的波導(dǎo)短路面離微帶探針大約為四分之一波長(zhǎng)，因?yàn)檫@樣電磁波一個(gè)來(lái)回的傳輸距離就是二分之一波長(zhǎng)，便可使波導(dǎo)內(nèi)形成駐波，用來(lái)保證探針在波導(dǎo)中處于電壓最大值處，也即電場(chǎng)最強(qiáng)處，以實(shí)現(xiàn)最大的耦合。由于探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)不可避免的會(huì)具有容性電抗，所以探針后面還需串聯(lián)一段高感抗線抵消其容抗。而在某些應(yīng)用場(chǎng)合，為了得到更好地阻抗匹配效果，還會(huì)在高感抗線的后面接一根四分之一波長(zhǎng)阻抗變換器將阻抗匹配到50 Ω的標(biāo)準(zhǔn)微帶線。轉(zhuǎn)換部分的腔體通過(guò)一個(gè)窗口與后面的電路腔體相連，該窗口的尺寸需要合理選擇，既要將能量約束在微帶線上，抑制高次模的傳輸，同時(shí)又要有足夠的高度，以免影響微帶線的場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

由以上的的分析可見(jiàn)，不管是微帶平面與波傳播方向平行還是微帶平面與波傳播方向垂直，都有一個(gè)共同的特點(diǎn)，那就是波導(dǎo)的能量傳輸方向與微帶線的能量傳輸方向是垂直的。也就是說(shuō)這兩種過(guò)渡結(jié)構(gòu)只適用裝配在波導(dǎo)與微帶能量傳播方向相互垂直的場(chǎng)合。若是在波導(dǎo)與微帶能量傳播方向必須在同一方向時(shí)，則不能采用探針過(guò)渡了，而必須轉(zhuǎn)而采用波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶過(guò)渡，或者波導(dǎo)-對(duì)極鰭線-微帶過(guò)渡等結(jié)構(gòu)了。

文中即是為了解決這一問(wèn)題而設(shè)計(jì)了一種橫向的波導(dǎo)-探針-微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)，使得在波導(dǎo)與微帶能量傳播方向在同一方向的場(chǎng)合依然可以采用探針過(guò)渡的方式，發(fā)揮波導(dǎo)-探針-微帶過(guò)渡的優(yōu)越性。

設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 橫向波導(dǎo)-探針-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)Fig.3 Transverse waveguide-to-microstrip probe transition structure

這種結(jié)構(gòu)實(shí)際是由微帶平面與波傳播方向垂直的結(jié)構(gòu)變換而來(lái)。關(guān)鍵的改進(jìn)在于圖3所示的匹配階梯。通過(guò)這個(gè)匹配階梯實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的90度轉(zhuǎn)角，減小轉(zhuǎn)角發(fā)射和損耗，從而最終實(shí)現(xiàn)將探針和微帶的傳輸方向轉(zhuǎn)換至與波導(dǎo)同一方向上。只要匹配階梯設(shè)計(jì)恰當(dāng)，便可以將轉(zhuǎn)角的反射和損耗降至非常低，從而實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)至微帶的低損耗轉(zhuǎn)換。

2 結(jié)構(gòu)仿真設(shè)計(jì)與優(yōu)化

2.1 微帶線與介質(zhì)基片以及波導(dǎo)各參數(shù)選擇

介質(zhì)基片既是微波電磁場(chǎng)的傳輸媒介，同時(shí)也是電路的支撐體，選擇合適的基片對(duì)整個(gè)結(jié)構(gòu)的性能有很大幫助。

通常對(duì)基片的要求是微波損耗小、表面光滑度高、硬度強(qiáng)、韌性好等。

文中采用介電常數(shù)為2.2的Duroid5880作為電路的介質(zhì)基片。基片厚度為0.254 mm。

微帶線采用標(biāo)準(zhǔn)的50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶，金屬層厚度為0.035 mm，取中心頻率，則在中心頻率34 GHz處微帶線寬為0.77 mm。

由于是本論文是設(shè)計(jì)Ka波段的波導(dǎo)—微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所以采用寬邊為7.112 mm，窄邊為3.556 mm的標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)。

可得 λc=14.224 mm。

可得，Ka波段的波導(dǎo)波長(zhǎng)為最短為8.83 mm最長(zhǎng)為18.7 mm，其中，中心頻率34 GHz處的波導(dǎo)波長(zhǎng)為11.2 mm，對(duì)應(yīng)的四分之一波長(zhǎng)就是2.8 mm。也就是波導(dǎo)短路面距離探針中心距離的理論值。

2.2 仿真與優(yōu)化

本論文需要仿真設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)尺寸有：

1）波導(dǎo)開(kāi)口縫隙高度gap_h和寬度gap_w；

2）插入波導(dǎo)內(nèi)的探針寬度lip_w，長(zhǎng)度lip_l；

3） 高感抗線的寬度：z_w，長(zhǎng)度 z_l；

4）短路面距探針中心長(zhǎng)度distance；5）轉(zhuǎn)換階梯高度tran_h，寬度tran_w.

對(duì)以上尺寸的設(shè)計(jì)仿真采用的是基于有限元方法的著名電磁場(chǎng)仿真軟件平臺(tái)Ansoft HFSS。

仿真模型如圖4所示。

圖4 HFSS中的模型Fig.4 Module in HFSS

經(jīng)過(guò)多次仿真與優(yōu)化，最終得到各最優(yōu)化參量如表1所示。

表1 模型最優(yōu)化參量（單位：mm）Tab.1 Optimal model parameters（unit:mm）

根據(jù)以上數(shù)據(jù)得到的仿真結(jié)果如圖5和圖6所示。

由圖5可見(jiàn)，在ka全頻段內(nèi)，插入損耗小于0.15 dB，由圖6可見(jiàn)反射系數(shù)大于21 dB，達(dá)到很理想的結(jié)果。

圖5 插入損耗Fig.5 Insertion loss

圖6 反射損耗Fig.6 Return loss

3 結(jié) 論

文中設(shè)計(jì)了一種中心頻率為34 GHz的Ka波段的橫向波導(dǎo)—探針—微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)理論分析以及仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，在26.5～40 GHz的全頻段內(nèi)得到了理想的結(jié)果。這種結(jié)構(gòu)具有寬頻帶，低插損的優(yōu)良特性，使得波導(dǎo)—探針—微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在波導(dǎo)與微帶能量傳輸方向在同一條直線上的場(chǎng)合依然可以適應(yīng)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

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