一種Ka波段寬帶波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的研制

宋志東 張國強(qiáng) 崔 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波雷達(dá)系統(tǒng)由于其高分辨率和大氣傳播的低損耗特性等優(yōu)點(diǎn)，最近受到了越來越多的關(guān)注。在毫米波系統(tǒng)中，為了減小傳播損耗和抑制高次模，波導(dǎo)系統(tǒng)取代了同軸系統(tǒng)，直接與微帶電路連接。因此波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器成為毫米波系統(tǒng)中一種非常重要的元器件，其關(guān)鍵指標(biāo)駐波與插損直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)如噪聲系數(shù)、發(fā)射功率等。

對(duì)于不同傳輸系統(tǒng)間的能量轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換電路首先要能完成電磁場(chǎng)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換功能;其次還應(yīng)該具有插損小、駐波低、足夠的工作帶寬、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一致性好等指標(biāo)和設(shè)計(jì)要求［1］。目前工程上常用的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)主要有鰭線過渡［3］、小孔耦合［4］、脊波導(dǎo)過渡以及微帶探針［5-6］等方式。在Ka 波段，這些結(jié)構(gòu)均能在30%左右?guī)拑?nèi)獲得良好的性能指標(biāo)，但是在實(shí)際應(yīng)用中都存在一些缺陷。就上述結(jié)構(gòu)中的鰭線過渡而言，其裝配難度較大，重復(fù)性差，連接過松將會(huì)影響過渡電路性能，太緊則會(huì)損壞微帶電路。而且過渡電路的結(jié)構(gòu)導(dǎo)致微帶電路不能密封，不適宜用在環(huán)境要求嚴(yán)格的軍用雷達(dá)上;而其他三種結(jié)構(gòu)存在帶寬窄，同樣不能氣密等缺點(diǎn)。

本文的設(shè)計(jì)針對(duì)于上述問題，提出了一種寬帶的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器，所采用的技術(shù)方案是:先采用一個(gè)波導(dǎo)同軸過渡結(jié)構(gòu)將傳輸線從波導(dǎo)轉(zhuǎn)換成同軸系統(tǒng)，再通過同軸微帶過渡結(jié)構(gòu)完成轉(zhuǎn)換。相對(duì)于其他過渡形式，這種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)在于其工作頻帶較寬，可以覆蓋全頻帶;并且氣密性較好，可以對(duì)微帶電路中的芯片等器件起到很好的保護(hù)。

1 基本原理

由圖1 可知，本文的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器分為兩個(gè)部分:波導(dǎo)同軸過渡、同軸微帶過渡。

圖1 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器原理圖

1．1 波導(dǎo)同軸過渡

波導(dǎo)同軸過渡結(jié)構(gòu)形式多種多樣，各有優(yōu)缺點(diǎn)。本文采用了同軸探針型過渡結(jié)構(gòu)，并加大了探針在波導(dǎo)腔內(nèi)的尺寸，減弱了波導(dǎo)的高阻特性，以減小阻抗對(duì)頻率變化的敏感性，從而展寬了過渡結(jié)構(gòu)的頻帶。

圖2 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換正視圖

圖3 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換側(cè)視圖

圖2 和圖3所示為同軸探針在波導(dǎo)腔內(nèi)的電場(chǎng)分布示意圖。其中A、B分別為波導(dǎo)的長寬，h為探針探入波導(dǎo)的尺寸，L為探針距離波導(dǎo)短截面的距離。為了獲得最好的耦合效果，同軸探針直接從波導(dǎo)E 面的中心探入。在只考慮TE10模的前提下，此時(shí)波導(dǎo)的輸入阻抗為［7］:

上式中，Z0為同軸線的特性阻抗;通過選擇合適的探針探入尺寸h以及探針距短路面距離L，可以使波導(dǎo)阻抗的實(shí)部R盡量接近同軸線特性阻抗Z0，從而使盡可能多的能量耦合到波導(dǎo)內(nèi)。

通過計(jì)算與實(shí)驗(yàn)可以確定，當(dāng)探針距離波導(dǎo)短截面的距離L=1/4λ 時(shí)，反射波和入射波在探針處同相疊加，此時(shí)反射系數(shù)Γ ≈1，當(dāng)探針長度h=B/2 時(shí)，R與同軸線的特性阻抗一致，此時(shí)同軸系統(tǒng)與波導(dǎo)系統(tǒng)間的轉(zhuǎn)換效率最高［1］。

1．2 同軸微帶過渡

本文中同軸微帶過渡結(jié)構(gòu)是將同軸探針從微帶線底面穿入直到微帶線正面?zhèn)鬏斁€。為了減小過渡結(jié)構(gòu)的插損，必須避免同軸線中高次模的出現(xiàn)，使同軸線中只有橫電磁波傳輸。同軸線中最低的(即截止波長最長的)高次模是TE11模。為了避免高次模出現(xiàn)，同軸線的尺寸和工作波長應(yīng)該滿足下式:

其中a和b分別為同軸線的內(nèi)外半徑，λ0為工作波長，εr為同軸線介質(zhì)介電常數(shù)［3］。

由于同軸線與微帶線連接處有明顯的階梯狀不連續(xù)性，為了展寬過渡結(jié)構(gòu)的工作帶寬，本文在探針與微帶之間加入了一段空氣過渡來匹配同軸線與微帶線。從仿真與測(cè)試結(jié)果來看，效果良好。

2 仿真設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果

本文在微波仿真仿真軟件HFSS 中建立了如圖4所示的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)模型，波導(dǎo)口為BJ320 標(biāo)準(zhǔn)，A=7.112mm，B=3.556mm。微帶板采用Rogers5880，εr=2．2，厚度0.254mm。為了減小誤差，模型采用了直徑0.5mm 的圓形倒角。

根據(jù)基本原理推算出模型的初始值如表1所示。

表1 模型初始值

仿真后發(fā)現(xiàn)，該初始值的S 參數(shù)并不是很好。為了增加工作帶寬和減小駐波，利用HFSS 軟件對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化仿真(見表2)。優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)適當(dāng)加大同軸探針的尺寸可以減小駐波，而合適的空氣腔尺寸則可以擴(kuò)展工作帶寬。

最后得到的結(jié)構(gòu)圖與仿真結(jié)果如圖4、5所示:

圖4 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)模型

圖5 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

?

表2 模型優(yōu)化值

從結(jié)果中可以看出，整個(gè)過渡器在26.5GHz ～40GHz 全頻帶范圍內(nèi)有良好的性能，駐波系數(shù)≤1.3，插入損耗≤0.2dB，基本滿足設(shè)計(jì)要求并留有一定余量。

在轉(zhuǎn)換器中，由于同軸探針以及空氣腔過渡這兩個(gè)部分的加工精確度對(duì)性能影響較大。為了避免后期調(diào)試，樣品試制中專門制作了一個(gè)圓環(huán)片來完成空氣腔過渡部分、并采用了訂制的同軸探針以確保精度，簡(jiǎn)化裝配難度。

根據(jù)仿真結(jié)果制作樣品，樣品采用鋁加工，表面導(dǎo)電氧化處理，為了方便測(cè)試，制作成了背靠背的結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

用安捷倫矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀5244A 測(cè)試轉(zhuǎn)換器樣件，在Ka 頻段內(nèi)，測(cè)試數(shù)據(jù)見圖7。

圖6 轉(zhuǎn)換器樣品圖

樣件的測(cè)試結(jié)果如圖7所示，在樣件的安裝過程中，由于空氣過渡環(huán)的安裝有一點(diǎn)的偏差，空氣過渡腔與同軸探針同心度不好，導(dǎo)致相關(guān)指標(biāo)出現(xiàn)了一定的惡化，后續(xù)可以考慮將空氣過渡環(huán)與同軸探針一體加工，進(jìn)一步精簡(jiǎn)工藝，提高轉(zhuǎn)換器性能。

從圖7 中可以看出，轉(zhuǎn)換器在26.5GHz ～40GHz 工作頻帶內(nèi)，駐波系數(shù)≤1.4，單只插入損耗≤0.45dB，滿足工程應(yīng)用要求。

3 結(jié)論

本文介紹了一種覆蓋整個(gè)Ka 頻段的寬帶波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法。與其他相類似的過渡結(jié)構(gòu)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)有:寬頻帶、低駐波、加工簡(jiǎn)單、批量一致性好。設(shè)計(jì)中采用的新型探針結(jié)構(gòu)以及空氣腔過渡結(jié)構(gòu)有效的保證了轉(zhuǎn)換器的寬頻帶特性。在大批量生產(chǎn)中可以采用訂制的同軸探針，簡(jiǎn)化加工工藝，減少調(diào)試量，保證性能的一致性。

圖7 波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器背靠背測(cè)試結(jié)果圖

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