W波段對脊鰭線波導微帶過渡設計與實現

荀 民 趙宇博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

波導到微帶的過渡形式多種多樣，常見的形式主要有微帶探針過渡，對脊鰭線過渡，脊波導過渡等，在不同的應用環境下三種過渡形式在電性能方面都各有特色，但微帶探針過渡實現的帶寬較窄，微帶探針過渡和脊波導過渡需要較高的結構加工精度和裝配精度。綜合來看，對脊鰭線結構的波導微帶過渡具有良好的寬帶特性，對結構加工和裝配精度要求相對較低，而且該結構形式便于在系統中集成應用，這里使用該結構實現了一款80GHz-100GHz的超寬帶波導到微帶過渡，具有較強的實用價值[1-2]。

1 對脊鰭線的設計

正反面電路如圖1所示，其中區域1為波導到微帶過渡的過渡區域，區域2為調諧區域，其中S為調諧塊，用于控制諧振點位置，區域3為微帶電路。W為50Ω帶線，b為波導窄邊。

金屬鰭線被制作于介質基片的兩面，區域1當中，實現了從波導電場到微帶準TEM的模式轉變，在L區域當中入射波從TE10模轉變為TEM模，從高阻轉為低阻，模式轉換過程見圖2[3-5]。

2 W波段對脊鰭線過渡設計

鰭線過渡方式多種多樣，包括余弦平方曲線，指數函數曲線，雙指數函數曲線，

余弦平方曲線：

d(z)=b-(b-s)sin2(πz/2L)

(1)

單指數和雙指數函數曲線：

d(z)=s-(b-s)(1-z/L)t

(2)

(3)

其中L代表過渡段的長度，b代表的是波導窄邊的寬度，s代表微帶線的寬度。

過渡電路的形式不僅要考慮性能指標，同時也要考慮過渡設計的復雜度和時間成本，使用HFSS軟件中的Spline曲線可以方便快捷地設計出低差損的高性能的波導到微帶過渡，成為本設計的選擇。

本設計選擇了羅杰斯公司的高頻材料RT5880作為基板板材，它的介電常數是2.2，基板的板厚為0.127mm；選擇標準波導尺寸，波導窄邊1.27mm，波導寬邊2.54mm；微帶線的寬度尺寸為0.38mm，見圖3所示。仿真結果如圖4所示，從結果可以看出80GHz-100GHz范圍內，S21小于0.2dB，S11大于17dB，轉換性能良好，由于W波段測試系統都是標準波導接口，為了便于對實物進行測試，這里對背靠背結構進行了仿真及優化，模型及結果如圖5，圖6所示，在80GHz-100GHz范圍內，S21小于0.5dB，S11大于14dB，性能良好。

在3mm頻段由于電尺寸很小，所以對加工精度的要求變得很高。如果不考慮工藝因素的影響，仿真結果再好也沒有工程實現價值，因此在建模仿真以及優化的過程中，并沒有直接選擇最優的優化結果，而是綜合考慮印制板加工精度，鍍金工藝，裝配精度等因素后，選擇了對工藝要求較低的仿真優化結果。為了驗證裝配精度對該結構的過渡模型的影響，分別對印制板銅箔的厚度、波導腔體尺寸加工精度、鰭線區域半徑S大小(調諧區域)、印制板裝配平整度等4個變量六百多種情況進行了掃參。圖7給出了部分半徑S取值對駐波的影響曲線。

3 實測結果

圖8展示了W波段背靠背過渡結構加工實物圖。3mm頻段的矢量網絡分析儀端口是波導接口，因此實物加工也為背靠背結構波導接口，80GHz～100GHz插入損耗小于0.8dB，故單邊過渡插入損耗小于0.4dB。80GHz～100GHz駐波小于1.5dB。實測結果如圖9，圖10以及圖11所示。

4 結束語

文章詳細論述了W波段波導對脊鰭線微帶過渡的設計方法，從仿真結果的曲線可以看出諧振點出現在109GHz左右，實測諧振點出現在105GHz左右，犧牲了部分帶寬。分析諧振點位置的偏差原因，應該是由裝配精度及印制板加工精度引起的。在實物驗證過程中沒有選擇仿真最優方案Rs=0.3mm，而是選擇對工藝敏感最小方案Rs=0.2mm如圖11。使得實物與仿真結果未發生大的偏差。實物測試表明該設計在80GHz～100GHz范圍內實現了超寬帶波導到微帶過渡。性能良好，具有較強的實用意義。