一種氣密型毫米波微帶-波導變換結構

夏侯海

(南京電子技術研究所， 南京210039)

0 引言

隨著半導體材料和制造工藝的發展，毫米波單片集成電路的成熟度越來越高，毫米波器件應用也越來越廣泛。新一代雷達、電子戰、通信、導引頭等電子系統要求工作在高頻段，具備大帶寬、小型化的特點，毫米波單片集成電路的發展為這些應用需求提供了實現的可能。在實際的工程應用中，為了保證系統的長期可靠性，采用毫米波集成電路制作的收/發模塊需要滿足氣密性指標。與同軸電纜相比，低插入損耗的波導傳輸線在毫米波頻段具有明顯的優勢，仍然是毫米波電子系統中主要的信號傳輸線［1］。因此，需要研究如何從模塊內部氣密地、低損耗地變換到波導接口。

微帶-波導變換以其低損耗的優點已經被廣泛地用于測試和評價毫米波單片集成電路性能，以及用于連接毫米波混合集成電路和波導器件。目前，常用的變換方法有:脊波導變換［2］、對脊鰭線變換［3］和探針變換［4-5］。為了在寬頻帶獲得優良的射頻性能，脊波導變換需要多階臺階結構，在毫米波頻段，對機械加工精度的要求苛刻，同時變換部分體積較大，不利于模塊的小型化。對脊鰭線變換采用印制在介質基片上的平面電路過渡到波導腔中，在波導壁上需要一個開放的窗口便于介質基片的裝配，很難保證毫米波收/發模塊氣密性工程應用指標。探針變換包括微帶耦合型探針變換和同軸耦合型探針變換，前者的物理結構與鰭線變換類似，無法對波導壁的開放窗口進行氣密處理，而同軸探針變換可以解決這個問題。因此，從工程應用角度來說，采用同軸探針過渡成為毫米波模塊內部微帶平面電路變換到波導接口的首選實現方式。

本文以Ka頻段為例，設計了一種氣密微帶-波導變換結構。在變換過渡部分采用一段玻璃介質同軸金屬探針插入矩形波導H面和一段矩形空氣槽金屬探針搭接50 Ω微帶線實現微帶到波導的阻抗變換。波珠外導體焊接在波導壁的窗口上，以此實現波導腔到微帶腔的氣密封裝。實驗表明:該種變換結構在Ka頻段具有良好的電氣性能，可應用于具有波導接口且有氣密性要求的收/發模塊，同時該結構適用于毫米波其他頻段。

1 理論分析與初始設計

本文所設計的微帶-波導過渡變換結構如圖1所示。該結構包含四個部分:微帶線部分、矩形空氣槽金屬探針部分、波珠同軸探針部分和標準波導部分。同軸探針插入矩形波導的H面，為了獲得最大的能量耦合，探針位于波導寬邊的中心。同軸探針的外導體與波導壁焊接在一起，金屬探針深入波導部分形成一個輻射天線，波珠內導體經過一段矩形空氣槽與微帶連接。

圖1 微帶-波導變換結構圖

圖1中參考面T將開放環境與氣密環境分割為兩個部分，簡化等效電路如圖2所示。

圖2 簡化等效變換

圖2最右側的電阻表示圖1波導中探針的下方部分，與它并聯的導納表示探針上方的一段短路波導，虛框內的T型網絡表征一段容性的金屬柱。Z1為波珠的特征阻抗;Z2為空氣介質同軸的特征阻抗;Z0為微帶線的特征阻抗，各段之間的不連續性用并聯電納表示。微帶-波導變換的關鍵就是通過一系列的網絡變換將微帶線的特征阻抗Z0與波阻抗Zc相匹配。當工作頻率確定時，可以選擇合適的波導尺寸使得只有基模TE10能夠傳輸，此時從圖1中參考面T看入波導的輻射阻抗為［6］

其中

式中:Z0為波導填充介質的本征阻抗;a和b分別為波導寬邊和窄邊的尺寸;d為探針深入波導的長度;l為探針到波導短路面的距離;Xp為探針對總輸入電抗的歸一化貢獻值，顯然Xp是關于d的函數，實際上，它還與探針的直徑和l相關。從圖2中可以看出，阻抗匹配的關鍵是將高阻抗的波導阻抗Zc盡可能地變換為低阻抗的Z1，即有如下關系

由于Z1為同軸波珠的特征阻抗，虛部為零，因此有

由式(6)可知，探針的長度接近工作頻率諧振點長度，因此，設計時l的初始值可以選為四分之一波導波長。

當信號從微帶線傳輸到波導方向時，波導內的金屬探針在它的周圍激勵起電磁波，一部分電磁波傳向波導短路面，經短路面反射回來，與向波導口方向傳輸的電磁波合成，當二者的相位接近時，合成后所得能量較大，信號損耗較小，因此，d的初始值也可以選為四分之一波導波長。

l和d值確定后就可以由式(2)和式(5)得到波珠的特征阻抗。這些初始值都是根據某個頻率點計算獲得，由這些初始值得到的微帶-波導變換的寬帶頻率響應很難保證。在寬頻范圍內，調節l和d值后，通常，圖2中的Zi還有剩余電抗存在，因此，我們在波珠的一邊又引入一段矩形空氣槽，阻抗不連續，阻抗不連續處會帶來額外的等效電納(或電抗)，可以在更寬的頻帶內補償Zi中的剩余電抗，使得微帶-波導變換在寬頻帶內獲得良好的電性能?？傮w而言，矩形空氣槽主要有三個作用:(1)波導經過同軸探針耦合后，還有剩余電抗存在，影響寬頻帶傳輸性能，矩形空氣槽可以進行電抗調節，達到寬帶補償匹配的效果;(2)空氣槽可以起到定位的作用，便于玻璃同軸氣密焊接封裝;(3)與常規的圓形空氣槽區別在于:矩形空氣槽對加工精度的要求降低，金屬探針是否處在空氣槽中心對射頻性能的影響敏感度降低。

2 仿真優化與實驗驗證

本文以Ka頻段為例對該種變換結構進行了優化設計。選用BJ320標準波導作為輸入/輸出口，微帶線的特征阻抗為50 Ω，介質基板為RT/duroid 5880(介電常數為2.2，厚度為0.127 mm)，玻珠的特征阻抗為62 Ω，矩形空氣槽的特征阻抗為50 Ω。為了便于測試驗證，采用背靠背結構，三維簡化模型如圖3所示，圖中微帶部分長為20 mm，對波導的短路面進行了倒角處理，易于加工實現。采用三維電磁仿真軟件HFSS對過度處的尺寸進行了優化處理，最終獲得仿真結果如圖4所示。從圖中可以看到在26.5 GHz～40 GHz全頻段范圍內，回波損耗小于-15 dB。

圖3 氣密型微帶-波導變換模型

圖4 背靠背模型仿真結果

為了驗證本文設計結構的可行性，按照圖3所示的三維模型，制作了一對背靠背微帶-波導變換結構件。實際制作的RT/duroid5880基板長度為20 mm，寬度為6 mm，厚度為0.127 mm。同軸探針由玻璃燒結，滿足工程氣密性指標要求。同軸外導體為柯伐合金，裝配時，先將波珠裝入波導壁的開孔處，再進行加熱處理，這樣焊料就能夠沿著焊料導向槽填滿波珠外導體與波導壁之間的縫隙，達到氣密封焊的效果。最后，將基板粘貼在中間殼體里，形成完整的波導-微帶-波導背靠背結構，所得的實物如圖5所示。

圖5 背靠背波導-微帶-波導變換實物

采用矢量網絡分析儀E8383B對該變換進行了測試，測試結果如圖6所示。由測試結果可知，在整個Ka頻段，插入損耗小于1.5 dB，回波損耗小于-15 dB，測試結果與仿真結果基本一致。

圖6 變換測試性能

3 結束語

本文采用波珠設計了一種微帶-波導氣密型過渡變換結構，通過理論分析獲得該結構關鍵部位尺寸的初始值。利用三維電磁場。仿真軟件優化設計了一個Ka頻段背靠背波導-微帶-波導變換，并進行了加工、制作和測試驗證。測試結果與仿真結果吻合，說明了這種變換結構的有效性。該種變換的低損耗和氣密性，作為毫米波收/發模塊的接口具有很大的應用潛力。

［1］ 薛良金.毫米波工程基礎［M］.北京:國防工業出版社，1998.Xue Liangjin.Foundation for millimeter wave engineering［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1998.

［2］ Zahid Yaqoob Malik，Abdul Mueed，Muhammad Imran Nawaz.Narrow band ridge waveguide-to-microstrip transition for low noise amplifier at Ku band［C］//2009 International Bhurhan Conference on Applied Sciences＆Technology.Islamabad:IEEE Press，2009:140-143.

［3］ 喻夢霞，徐 軍，薛良金.毫米波微帶波導過渡設計［J］.紅外與毫米波學報，2003，22(6):473-476.Yu Mengxia， Xu Jun， Xue Liangjin.Millimeter wave waveguide-to-microstrip transition design［J］.Journal of Infrared and Millimeter Waves，2003，22(6):473-476.

［4］ Xu Jun，Xu Zhitao，Wang Maoyan，et al.Magnetic-coupling based waveguide-to-microstrip transition［J］.Journal of Electronic Science and Technology，2011，9(2):185-189.

［5］ 林 勇，何慶國.W頻段微帶-波導轉換［J］.半導體技術，2008，33(7):603-605.Lin Yong，He Qingguo.Microstrip to waveguide transform at W band［J］.Semiconductor Technology，2008，33(7):603-605.

［6］ Collin R E.Field theory of guide waves［M］.NewYork:McGraw-Hill Book Company，1960.