一種平面形式的矩形波導(dǎo)和微帶線集成結(jié)構(gòu)研究

摘 要：通常從微帶線到矩形波導(dǎo)的過渡是通過三維（3D）復(fù)雜的安裝結(jié)構(gòu)實現(xiàn)的?，F(xiàn)提出一種新的平面結(jié)構(gòu)，將微帶線和矩形波導(dǎo)完全集成在同一襯底上，并通過一個簡單的錐度相互連接。實驗結(jié)果表明，在回波損耗為20 dB時，該結(jié)構(gòu)的有效帶寬為12%，帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于0.4 dB。新的過渡結(jié)構(gòu)可以在同一襯底上實現(xiàn)波導(dǎo)組件與MIC和MMIC的完全集成。

關(guān)鍵詞：矩形波導(dǎo)；微帶線到波導(dǎo)的過渡；集成

中圖分類號：TN63" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0029-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.007

0" " 引言

矩形波導(dǎo)可用于設(shè)計高Q值的元件，但需要復(fù)雜的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實現(xiàn)與平面電路的集成。目前已經(jīng)有一些針對微帶線和矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的研究，然而，傳統(tǒng)的矩形波導(dǎo)平面結(jié)構(gòu)集成方案體積龐大，通常也需要精密的加工工藝。在毫米波頻段，這類結(jié)構(gòu)很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。微帶與矩形波導(dǎo)的過渡一般是由兩個或多個模塊組成，需要通過精密的組裝實現(xiàn)，而且需要配備一些調(diào)諧結(jié)構(gòu)設(shè)計；此外，平面基板必須被切割成特定的形狀。上述要求都較難實現(xiàn)，也使得集成的成本十分高昂。

一個比較直接的解決方案就是將矩形波導(dǎo)集成到微帶襯底中。這樣設(shè)計會因為填充電介質(zhì)、減小體積而減小波導(dǎo)Q值的影響，但是整個電路包括平面電路、轉(zhuǎn)換器和波導(dǎo)都可以使用標準PCB或其他平面加工技術(shù)來實現(xiàn)。

本文提出了一種新的微帶線和矩形波導(dǎo)集成形式，其中兩種不同的結(jié)構(gòu)放置在同一軸上，從而減小了過渡所需的總尺寸。這種過渡結(jié)構(gòu)利用一個錐形微帶線來激發(fā)波導(dǎo)模式。在實驗中，波導(dǎo)是在襯底上用線性陣列的金屬化通孔合成的，也可以使用金屬化凹槽實現(xiàn)。由于所有組件都設(shè)計在同一襯底上，平面制造技術(shù)就可以保證優(yōu)良的機械公差，不需要額外的調(diào)諧設(shè)計，這對多層結(jié)構(gòu)特別是低溫共燒陶瓷（LTCC）平臺等多層工藝來說解決了很多難題。

1" " 介質(zhì)集成波導(dǎo)技術(shù)理論

基片集成波導(dǎo)（SIW）就是由兩排陣列的金屬通孔或槽連接介質(zhì)基板頂部和底部的金屬接地平面而制成的平面結(jié)構(gòu)，使用SIW技術(shù)，非平面的金屬波導(dǎo)可以建模成一個平面的集成波導(dǎo)，從而集成在平面電路上。

2" " 微帶線過渡到矩形波導(dǎo)設(shè)計

50 Ω微帶線和波導(dǎo)通過錐形微帶線截面連接，可以單個集成測試，也可以背靠背測試。利用錐度將微帶線的準TEM模式轉(zhuǎn)換為波導(dǎo)中的TE模式[2]。在同一介電襯底內(nèi)從微帶線[3]到矩形波導(dǎo)的擬制轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖2所示。

微帶線非常適合激發(fā)波導(dǎo)，因為這兩種不同結(jié)構(gòu)的電場方向大致相同，而且它們共享相同的輪廓，如圖3所示。首先，可以通過介電效應(yīng)和完善的波導(dǎo)理論來確定波導(dǎo)口的尺寸。然后設(shè)計錐形部分，使50 Ω微帶的線寬與集成波導(dǎo)的寬度相關(guān)聯(lián)。

對于矩形基片集成波導(dǎo)，截止頻率與寬度和高度有關(guān)，因此寬度和高度是比較重要的考慮因素。如圖2所示，TE10模式的傳播常數(shù)只與寬度a有關(guān)，因此減小波導(dǎo)的高度或厚度b對TE10模式的傳播影響不大。減少尺寸b而使其集成為薄襯底，可以降低微帶線輻射損失。然而，降低高度b會增加微帶線和矩形波導(dǎo)中的導(dǎo)體損耗。在毫米波頻率下，波導(dǎo)截面較小，導(dǎo)體損耗可以控制在相對較低的水平。

矩形波導(dǎo)的側(cè)壁可以通過使用金屬化通孔陣列或金屬凹槽在襯底內(nèi)實現(xiàn)。在H平面中，微帶線的接地面成為波導(dǎo)的一個金屬壁，而錐形微帶部分提供了另一個金屬壁，這樣的排列完成了波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)。這種方案適合緊湊型低損耗波導(dǎo)組件，如T型結(jié)和濾波器等。

3" " 實驗結(jié)果

為了驗證所提出的概念，設(shè)計并測試了LMDS頻率范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換。整個結(jié)構(gòu)由兩個背靠背的過渡結(jié)構(gòu)組成，由一個長度為16 mm的集成波導(dǎo)隔開。電路構(gòu)造在0.254 mm厚的電介質(zhì)襯底上。根據(jù)50 Ω微帶線及19～32 GHz波導(dǎo)口界面設(shè)計，結(jié)合圖2給出下列尺寸，如表1所示。

平面上的兩個壁由0.762 mm的通孔陣列構(gòu)成，相鄰兩個通孔之間的間距也是0.762 mm。使用網(wǎng)絡(luò)分析儀和測試夾具對電路進行TRL校準。

模擬和實測結(jié)果如圖4所示，其中涉及1.524 mm微帶線截面、兩個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)和16 mm合成矩形波導(dǎo)。

在26.65～30.20 GHz范圍內(nèi)，兩個背靠背結(jié)構(gòu)回波損耗為40 dB，帶寬達到12%以上；在整個頻帶內(nèi)插入損耗均優(yōu)于0.8 dB。這意味著單個微帶線向矩形波導(dǎo)的過渡結(jié)構(gòu)回波損耗在20 dB左右，插入損耗優(yōu)于0.4 dB。實測的插入損耗有時要比仿真的更好，可能是由于在仿真中使用了制造商給出的基片損耗在10 GHz的正切值。

4" " 結(jié)論

本文提出了一種集成微帶線和矩形波導(dǎo)的新型平面結(jié)構(gòu)，它涉及兩種不同結(jié)構(gòu)之間的過渡。該結(jié)構(gòu)允許在同一襯底上設(shè)計完全集成的微帶線和波導(dǎo)平面電路，且不需要任何機械組裝或調(diào)諧。樣品的測量結(jié)果與仿真結(jié)果吻合良好。該方案具有整體集成、體積小、損耗低等優(yōu)點，非常適合毫米波頻率下的電路設(shè)計。

[參考文獻]

[1] XU F，WU K.Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide[J].IEEE Tran-sactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53（1）：66-73.

[2] 波扎.微波工程[M].3版.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3] 顧繼慧.微波技術(shù)[M].北京：科學(xué)出版社，2008.

收稿日期：2023-04-14

作者簡介：楊妍（1993—），女，江蘇人，助理工程師，研究方向：微波器件。