毫米波寬帶H 面波導微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

李 鈺， 翁鵬飛

（華東師范大學 上海200062）

隨著毫米波技術在現(xiàn)代無線通訊系統(tǒng)中的廣泛應用，對各種高性能單片微波集成電路（MMIC）的需求也日益迫切。微帶線是現(xiàn)有毫米波集成電路中最基本的傳輸線形式，各個MMIC 單片主要采用微帶線相連接。 然而由于金屬波導具有高功率容量和高Q 值的特性，因此是毫米波亞毫米波頻段進行端口連接和傳出的重要結(jié)構(gòu)。 在毫米波電路和系統(tǒng)中經(jīng)常需要進行這兩種傳輸線形式的轉(zhuǎn)換。 這些轉(zhuǎn)換裝置要實現(xiàn)阻抗變換和過渡連接的功能。 因此，設計寬頻帶、低損耗及結(jié)構(gòu)緊湊的微帶波導轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是進行毫米波MMIC 電路研究的基礎。

文中從工程實際出發(fā)，對各種波導微帶過渡方式進行理論分析和比較， 最終采用H 面的波導微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并使用三維電磁仿真軟件HFSS 對Ka 波段全帶寬的背靠背的波導微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[1-2]進行了仿真。 仿真結(jié)果表明在26.5-40 GHz 的波導全帶寬內(nèi)，端口的反射系數(shù)小于-20 dB，帶內(nèi)損耗小于0.3 dB。

1 過渡結(jié)構(gòu)的選型

標準的矩形波導與微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有多種轉(zhuǎn)換形式[3-6]，分別對各頻段波導微帶的過渡結(jié)構(gòu)進行相應的研究設計。 波導到微帶的過渡方式根據(jù)過渡方式的不同有如下幾種：波導微帶開槽過渡、波導微帶鰭線過渡和波導微帶探針過渡。 下面分別對以上幾種過渡方式進行相應的簡單理論分析。 實際上微帶探針型波導微帶探針過渡結(jié)構(gòu)是從同軸探針結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的， 同軸探針過渡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 由于工作頻率，損耗，駐波等限制，在實際工程中逐漸應用波導微帶探針過渡結(jié)構(gòu)代替同軸波導過渡結(jié)構(gòu)。

圖1 同軸微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 1 Coaxial-microstrip transition structure

在波導微帶過渡的結(jié)構(gòu)中，波導微帶鰭線過渡結(jié)構(gòu)是一種比較常用的過渡結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。 該過渡結(jié)構(gòu)是采用對級鰭線實現(xiàn)的，是微帶和波導進行場轉(zhuǎn)換以及阻抗匹配的一種共軸過渡結(jié)構(gòu)。 鰭線方式的過渡具有結(jié)構(gòu)簡單，帶寬較寬等特點。 過渡的鰭線結(jié)構(gòu)線型可選擇為指數(shù)型曲線、余弦型曲線或其它曲線結(jié)構(gòu)。 波導微帶脊波導過渡是采用從波導寬邊延伸出的脊波導作為波導到微帶的阻抗變換一種過渡方式，該過渡形式損耗較小、帶寬較寬，然而由于脊波導過渡對機械加工的要求很高，其性能很大程度依賴于脊波導過渡末端金屬脊和微帶的接觸，導致實際裝配中很難保證重復性和一致性， 因此這種過渡方式很難保證過渡性能的一致性，實際的工程應用中一般不采用該過渡方式。 基于電磁場耦合的波導微帶探針過渡是目前毫米波頻段使用最為廣泛的過渡形式，因為其具有插損小、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、帶寬寬等特點，它是將微帶探針通過波導寬邊或窄邊開孔插人波導腔中，通過插入波導腔中微帶探針把波導中的電磁場耦合到微帶上，如圖3 所示。 矩形波導中距離過渡探針的四分之一波長的短路面起到保證探針在波導內(nèi)處于最大電壓，即電場最強位置的作用。 它的優(yōu)點是插入損耗低，具有較大工作帶寬，且其結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，裝卸容易。

圖2 波導微帶鰭線過渡結(jié)構(gòu)Fig. 2 Waveguide-microstrip fin line transition structure

圖3 波導微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 3 Waveguide-microstrip transition structure

微帶探針型波導微帶探針過渡結(jié)構(gòu)是從同軸探針結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，通過一段起耦合探針作用的微帶線把波導中的電場耦合到微帶線中，然后利用高感抗線與四分之一波長的阻抗變換器實現(xiàn)探針與微帶線的阻抗匹配。 通常為減小由于阻抗不匹配帶來的過渡結(jié)構(gòu)插損過大的影響和增加過渡結(jié)構(gòu)的工作帶寬，通常采用如圖4 所示的結(jié)構(gòu)。

圖4 探針過渡阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)Fig. 4 Probe gradual transition impedance structure

根據(jù)傳統(tǒng)的波導微帶結(jié)構(gòu)模型， 在Ka 波段為了實現(xiàn)全帶寬低插損、結(jié)構(gòu)緊湊的波導微帶過渡結(jié)構(gòu)，本論文選用H面波導微帶探針過渡結(jié)構(gòu)，并在探針過渡處采用阻抗?jié)u變的方式以增加該結(jié)構(gòu)的工作帶寬，如圖5 所示。 介質(zhì)基片穿過矩形波導安裝，已提供一個波導窗并提供定位保證，從而構(gòu)成一種密封的過渡結(jié)構(gòu)。 在該過渡結(jié)構(gòu)中，微帶探針與整個微帶電路制作在一塊PCB 電路板上，具有結(jié)構(gòu)簡單，重復性好的特點。

圖5 本文設計的波導微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 5 Design of our waveguide-microstrip transition structure

在該結(jié)構(gòu)中，微帶線導體帶面向波導短路面放置，進入波導的微帶線截至底面無金屬層，50 歐姆的微帶線通過阻抗變換線過渡到高阻線，進而過渡到低阻線，經(jīng)過兩次阻抗變換實現(xiàn)探針的過渡。 采用高阻線可以減小微帶線與波導縫隙之間的耦合電容，高阻線兩端采用漸進過渡的方式完成阻抗匹配，以達到寬頻帶工作的目的。

2 仿真結(jié)果

采用三維電磁仿真軟件對該波導微帶探針進行建模仿真和優(yōu)化。 該背靠背的H 面波導微帶探針過渡如圖6 所示，仿真曲線如圖7 所示。 從仿真結(jié)果可以看出，該波導微帶過渡在Ka 波段的全帶寬內(nèi)達到了很好的仿真結(jié)果。 該波導微帶過渡在26 到40 GHz 的全頻段范圍

內(nèi)的反射系數(shù)小于-20 dB，插損小于-0.3 dB，該結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果可以很好地滿足實際工程的指標需求。

圖6 波導微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 6 Waveguide-microstrip transition structure

圖7 波導微帶過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果Fig. 7 Simulation results of Waveguide-microstrip transition structure

3 結(jié) 論

本文對Ka 波段全帶寬的H 面波導微帶探針過渡結(jié)構(gòu)進行了仿真設計，實現(xiàn)了在Ka 波段全帶寬范圍內(nèi)良好的效果，利用三維電磁仿真軟件HFSS 對該結(jié)構(gòu)進行了仿真設計和優(yōu)化，仿真結(jié)果表明：背靠背的H 面波導微帶過渡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在全頻帶26.5-40 GHz 的頻段內(nèi)實現(xiàn)了插損小于0.3 dB，端口反射系數(shù)小于20 dB 的設計結(jié)果。 該結(jié)構(gòu)在實際工程應用中具有很高的工程使用價值。

[1] Grabherr W，Huddcr B，Menzel W. Microstrip to Waveguide Transition Compatible with mm-Wave Integrated Circuit [J].IEEE Trans Microwave Theory Technology，1994，42（9）:1820-1843.

[2] Leong YC，Weinreb S. Full Band Waveguide-to-Microstrip Probe Transitions[C].IEEE MTT-S Digest，1999:1435-1438.

[3] 梁新輝，韓良，王蹨儀. 毫米波波導到微帶轉(zhuǎn)換的研究[J].微波學報，1991（4）:44-51.

[4] 張春燕. K波段波導-微帶轉(zhuǎn)換裝置的設計[J]. 真空電子技術，2013（2）:39-42.

[5] 田兵. Ka頻段寬帶波導微帶過渡設計 [J]. 數(shù)字技術與應用， 2013（12）:138-139.

[6] 黨章. Ku頻段高效大功率合成放大器設計[D]. 成都：電子科技大學，2008.