一種Ka波段寬帶同軸探針過渡的設計＊

汪寅安 黃 敏

（1.海軍駐武漢三江航天集團軍代室 武漢 430040）（2.中國航天科工四院紅峰公司 孝感 432000）

1 引言

目前，低成本和高可靠性的毫米波單片集成電路使用日趨廣泛。在發(fā)展毫米波單片集成電路的過程中，設備和電路的特性要求一種波導和微帶之間的過渡。在工程上需要尋找低損耗、結構簡單易加工的過渡形式。目前常見的形式有三種：鰭線過渡、探針過渡和脊波導過渡。

某型近炸引信采用的是鰭線過渡的方式，該方式具備低損耗、寬頻帶的特點，且一致性較好，在工程應用中，只需完成裝配，不需要額外的調(diào)試工作。但由于鰭線過渡的結構特點，波導腔體和射頻基片部件在空間上是互通的，波導口屬于空間開放的結構，因此就無法保證射頻基片部件的密封性，從而導致基片部件不能長期貯存。針對這種情況，需要另外設計一種能保證射頻基片部件密封性的過渡方式。

2 波導－微帶探針過渡

波導－微帶探針過渡以電磁波傳播方向分為兩種形式：微帶線平面的法線方向和波導內(nèi)電磁波的傳播方向一致；微帶線平面的法線方向和波導內(nèi)電磁波的傳播方向垂直。這兩種方式都是將探針通過波導寬邊中心插入波導腔中，利用起耦合作用的探針把電場在微帶線和波導腔之間耦合，因此這兩種方式原理一致，僅是結構形式上不同。在某型近炸引信中，由于天線法蘭盤的安裝位置，需要波導腔內(nèi)電磁波傳播方向與微帶線平面法線方向垂直。

波導－微帶探針過渡按探針種類也可分為兩種形式：同軸探針過渡、微帶探針過渡。微帶探針過渡中探針由微帶線制成，微帶探針可以與射頻基片部件整體制作，具有結構簡單、一致性好的特點，且重量較輕。如果系統(tǒng)對體積和重量有特殊要求，可以考慮使用微帶探針過渡。但同鰭線過渡一樣，微帶探針過渡中波導腔和射頻基片部件有空間上的互通，無法滿足密封性的要求。此次設計使用的是同軸探針過渡的方式，此方式在結構上可以滿足工程應用中的密封性要求，但在初步裝配完成后，需要調(diào)試。

3 仿真模型及參數(shù)計算

利用CST軟件建立的Ka波段波導－微帶過渡的仿真模型，如圖1所示。

圖1 Ka波段波導－微帶過渡CST仿真模型

3.1 微帶線計算

微帶線是目前最流行的平面?zhèn)鬏斁€，主要是因為它可以用照相印制工藝加工，并且容易與其他無源和有源微波器件集成，工程應用方便。

圖1中右邊的結構為微帶線部分。黑灰色底層為地層；中間綠色層為介質(zhì)層，其介電常數(shù)εr為2.2，厚度d為0.254mm；上層為導體層，金屬結構，厚度為0.017mm。計算導體層寬度w如下：

式（1）中，Z0為微帶線的特征阻抗，設計值要求為50Ω。εe為微帶線的有效介電常數(shù)，計算公式如下：

將各式及參數(shù)代入（1）式中，預設w／d≥1，可以得到w＝0.79mm。預設w／d≤1，計算得到w大于d，與預設沖突，假設不成立。因此導體層金屬條寬度w為0.79mm。

3.2 基片寬度計算

介質(zhì)基片厚度0.254mm，根據(jù)屏蔽盒設計理論，屏蔽盒高應大于五到十倍基片厚度。仿真模型中仿真盒高為波導寬邊長7.12mm，介質(zhì)板和接地板的寬度仿真參數(shù)值為5mm，均大于0.254×10的要求。

3.3 波導和短路活塞計算

Ka波段標準波導尺寸為7.12mm×3.56mm，工作頻率26.5GHz～40GHz。矩形波導可以等效為均勻傳輸線，傳輸線上的電磁波是由入射波和反射波疊加而成，反射波的大小取決于傳輸線的終端負載。終端負載的不同，決定終端處的反射系數(shù)，從而決定了傳輸線上的電磁波分布。當終端短路時，其反射系數(shù)為－1，根據(jù)傳輸線理論，距終端λg／4處反射系數(shù)為1。此處電磁波全反射，入射波和反射波疊加最大，傳輸損耗最小。因此，探針應在寬邊中心，距終端短路面λg／4處插入波導腔，此時傳輸損耗最小。

λg／4的計算方式如下：

在矩形波導傳輸模式中，每個模（m和n的組合）具有由下式給出的截止頻率fcmn：

截止頻率最低的模式為基模，假定a＞b，則最低的fc出現(xiàn)在TE10（m＝1，n＝0）模：

在給定的工作頻率f下，只有f＜fc10的模才能夠在波導腔內(nèi)傳播，因此fc10即為矩形波導的截止頻率。式（4）中μ、ε為波導內(nèi)填充材料的相對介電常數(shù)和相對磁導率。某型近炸引信中，波導腔內(nèi)無填充材料，即為空氣。空氣的相對介電常數(shù)和相對磁導率均為1，因此根據(jù)式（4）可以得到：

a為波導寬邊長，Ka波段標準矩形波導寬邊長為7.12mm，因此對應的λc為14.24mm。波導波長λg計算方式如下：

某型近炸引信工作中心頻率為fGHz，對應自由空間內(nèi)電磁波波長λ＝c／f，c是自由空間電磁波的傳播速度，即光速，可以得到λ為′x′mm，代入式（6）可以得到λg＝′y′mm。則探針距波導終端短路面λg／4的距離為′z′mm。此參數(shù)將影響到探針過渡在頻帶內(nèi)的性能，需要在仿真時加以優(yōu)化設計。

4 影響性能因素分析

探針的長度和直徑：探針的長度和直徑是對過渡性能產(chǎn)生明顯影響的參量。從仿真結果看，探針長度對過渡性能的影響更大。使用CST軟件對1.6mm～2.2mm間的不同探針長度進行了仿真，相對于工作頻段而言，以1.8mm的探針長度最優(yōu)。

短路活塞：從3.3節(jié)的分析可以知道，短路活塞即探針到波導終端短路面的距離，對波導內(nèi)電磁波傳播的功率有影響，只有當此距離為適合值時，探針位置處才是全反射，傳播的電磁波功率值最大，過渡的損耗才最小。在實際仿真中，當此參數(shù)值從2.8mm降到2.2mm過程中，頻帶內(nèi)的插損略有降低。當從2.2mm繼續(xù)下降時，仿真結果的中心頻率將偏離所需值，因此確定探針到波導終端短路面距離為2.2mm。

探針介質(zhì)層：其長度、半徑、相對介電常數(shù)對過渡的性能都有影響，不過這三個因素是相互制約的，當其中兩個參數(shù)值確定，另一個參數(shù)根據(jù)仿真結果有最優(yōu)解?？紤]到介質(zhì)層的長度即波導腔壁厚，如果偏低，很難滿足結構強度的要求，但如果偏大，對空間體積是一種浪費，綜合考慮，首先確定這個值為2mm。介質(zhì)層的相對介電常數(shù)參照常見值，定為6。在這兩個參數(shù)確定的條件下，根據(jù)仿真結果，半徑1mm時性能最佳。工程應用中，由于采購器件的參數(shù)和仿真值可能不同，這三個參數(shù)需要根據(jù)實際情況代入模型重新仿真，此次仿真只能分析三個參數(shù)值對過渡性能致的影響，并給出參數(shù)值的相互制約關系和大量綱范圍，用于指導實際應用時的器件選擇。

圖2 探針部分模型圖

探針部分的模型見圖2。模型具體參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)值

Parameter name Value Description絕緣R半徑 1絕緣子半徑a 3.56 波導長b 7.12 波導寬d 2.2 探針到波導底部的距離h 0.017 微帶線厚h1 0.254 基片厚度h2 0.5 地板厚底1 1.8 探針伸入波導長度12 1 探針微帶部分長度13 10 微帶線長r1 0.15 探針半徑w 0.79 策微帶線寬x 2絕緣子長度

5 仿真結果

使用CST軟件對模型進行仿真，結果如下：

圖3為1端口反射系數(shù)的仿真結果，在所需的工作頻帶內(nèi)，S11的值低于－16dB，滿足設計和工程使用的要求。

圖3 反射系統(tǒng)仿真結果

圖4 插入損耗仿真結果

圖5為探針過渡的插入損耗，是過渡性能的重要指標，其值的大小代表了信號功率在微帶和波導間傳輸?shù)乃p值。仿真結果表明工作頻帶內(nèi)插損值均小于0.5dB，滿足設計預期。

6 結語

同軸探針過渡由于結構上的特點，在安裝時，探針進入波導腔內(nèi)的長度一致性較差，需要采取措施進行后續(xù)調(diào)試。從性能上看，通過過渡模型的建立和CST軟件的多次參數(shù)優(yōu)化，得到了較為理想的仿真結果。在工作頻段內(nèi)，插入損耗S21小于0.5dB，反射系數(shù)S11小于－16dB。仿真結果表明，該同軸探針過渡具有寬頻帶，低插損、低駐波的特點，并且在結構上保證良好的密封性，可以指導實際工程應用。

［1］薛良金.毫米波工程基礎［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.

［2］張肇儀等，譯.微波工程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.