W波段反對(duì)稱漸變探針過(guò)渡轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

嚴(yán)琳

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

隨著毫米波技術(shù)在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮出的巨大優(yōu)勢(shì)，以及其在民用方面所具備的廣闊應(yīng)用前景，使得成本低、體積小、可靠性高和便于大規(guī)模制作的毫米波單片集成電路（MMIC）得到了廣泛地應(yīng)用。微帶線是毫米波集成電路中的一種十分重要的傳輸形式，MMIC單片之間主要采用微帶線相連接。然而，目前毫米波集成系統(tǒng)之間的連接和毫米波測(cè)量系統(tǒng)仍主要采用金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，尋求一種低成本、低損耗和易制造的寬帶矩形波導(dǎo)到微帶過(guò)渡對(duì)毫米波技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義。

目前常用的幾種波導(dǎo)—微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有：波導(dǎo)—脊波導(dǎo)—微帶過(guò)渡[1]、波導(dǎo)—對(duì)極鰭線—微帶過(guò)渡[2]、波導(dǎo)—探針—微帶過(guò)渡[3-4]。這些結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)都可以實(shí)現(xiàn)較寬的帶寬。但是脊波導(dǎo)過(guò)渡加工復(fù)雜，損耗較大；對(duì)脊鰭線過(guò)渡要產(chǎn)生一系列的諧振模式，如果某一諧振頻率正好落入與其相連的器件的工作帶寬，就可能使其對(duì)器件產(chǎn)生耦合，從而影響器件的性能；耦合探針結(jié)構(gòu)因波導(dǎo)出口方向與電路垂直，使其不滿足很多系統(tǒng)需要。為了進(jìn)一步提高這些過(guò)渡結(jié)構(gòu)的性能，研究者們提出了一些新穎的結(jié)構(gòu)，在一定帶寬范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了較好的插入損耗和回波損耗，但不易加工。

文中采用了結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和加工方便的反對(duì)稱漸變探針結(jié)構(gòu)，使用三維電磁仿真軟件HFSS進(jìn)行了仿真，在W波段全波導(dǎo)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)了插入損耗小于0.088 dB，回波損耗大于27 dB。

1 基本原理

圖1為此設(shè)計(jì)在HFSS中的結(jié)構(gòu)視圖。該結(jié)構(gòu)主要包含3部分：微帶線、矩形金屬波導(dǎo)和反對(duì)稱漸變探針。探針過(guò)渡是利用一段起耦合作用的微帶線將波導(dǎo)中的電磁場(chǎng)耦合到微帶線中去，實(shí)現(xiàn)毫米波信號(hào)在波導(dǎo)與微帶線中的相互傳輸。矩形波導(dǎo)中電磁波傳輸?shù)闹髂門E10模，其波阻抗定義為：

根據(jù)這一特性阻抗的定義計(jì)算可知，其阻抗值比50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線要高很多，為了保證兩者之間的良好匹配，必須在矩形波導(dǎo)和微帶線之間采用阻抗變換，把波導(dǎo)的等效阻抗逐步降低為微帶線的特性阻抗。此外，阻抗變換過(guò)程越平緩，插損就越小，傳輸性能就越好。在此結(jié)構(gòu)中，反對(duì)稱漸變曲線采用HFSS仿真軟件中的Spline曲線 （通過(guò)選取節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)和位置的不同模擬曲線曲率）來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。文中選取了5個(gè)節(jié)點(diǎn)以確定其曲率，通過(guò)改變節(jié)點(diǎn)的位置對(duì)曲線進(jìn)行優(yōu)化。選用Spline曲線設(shè)計(jì)，不僅可以在很大程度上提高反對(duì)稱漸變段的過(guò)渡性能，而且便于設(shè)計(jì)，縮短設(shè)計(jì)時(shí)間。

圖1 利用反對(duì)稱漸變探針構(gòu)成的波導(dǎo)微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)視圖Fig.1 Structure of waveguide to microstrip using antisymmetric probes

2 電路設(shè)計(jì)

文中采用WR-10（2.54 mm×1.27 mm）矩形波導(dǎo)，過(guò)渡到50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線（寬度為0.38 mm），微帶線和反對(duì)稱漸變探針制作在Rogers RT/Duroid5880軟基片上，介質(zhì)基片厚度為0.127 mm，相對(duì)介電常數(shù)εr=2.22。實(shí)際使用過(guò)程中常在微帶電路四周用金屬腔屏蔽，以減少輻射損耗和機(jī)械損耗。此仿真中金屬腔設(shè)為理想導(dǎo)體，尺寸為1.27 mm×1.27 mm，介質(zhì)基片由波導(dǎo)寬邊的中間位置插入，使反對(duì)稱漸變探針置于波導(dǎo)的E面。

圖2 微帶波導(dǎo)探針過(guò)渡的俯視圖Fig.2 Top view of microstrip to waveguide probe transition

在此設(shè)計(jì)中，整個(gè)反對(duì)稱漸變探針起阻抗變換的作用，又因其在波導(dǎo)腔內(nèi)完成，故減小了設(shè)計(jì)電路的尺寸。從圖3中可以看出，反對(duì)稱漸變過(guò)渡結(jié)構(gòu)最后把波導(dǎo)的高阻抗變換到接近標(biāo)準(zhǔn)微帶線的50 Ω。從圖4可以觀察出，反對(duì)稱漸變探針將微帶中Z極化方向的電場(chǎng)轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾▽?dǎo)中TE模式的Y極化方向電場(chǎng)。

圖3 反對(duì)稱漸變過(guò)渡到微帶線端口阻抗Fig.3 Port impedance of using the antisymmetric probes

圖4 反對(duì)稱漸變過(guò)渡的場(chǎng)分布圖Fig.4 Field distribution of using the antisymmetric probes

3 仿真分析和結(jié)果

為了得出適用于工程應(yīng)用的參考數(shù)據(jù)，消除不必要的重復(fù)設(shè)計(jì)，文中通過(guò)高頻仿真軟件HFSS對(duì)結(jié)構(gòu)的敏感尺寸進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，總結(jié)出這些參數(shù)變化對(duì)過(guò)渡性能的影響，以得出便于實(shí)際工程應(yīng)用。表1給出了結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)的尺寸。b0為反對(duì)稱漸變探針重合部分的長(zhǎng)度，b3為反對(duì)稱漸變探針開始端的寬帶，d為反對(duì)稱漸變探針末端到矩形波導(dǎo)壁的距離。在仿真優(yōu)化中，b0、b3和d是優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 微帶波導(dǎo)探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)（單位：mm）Tab.1 Main parameters of microstrip to waveguide probe transition（units:mm）

圖5為調(diào)節(jié)b0時(shí)，W波段所對(duì)應(yīng)的插入損耗和回波損耗。這部分結(jié)構(gòu)是能量開始比較集中的地方，所以是調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)。仿真過(guò)程中，可設(shè)置其初值為四分之一波長(zhǎng)，再根據(jù)效果做進(jìn)一步的調(diào)節(jié)。

圖6和圖7是調(diào)節(jié)d和b3的尺寸所對(duì)應(yīng)的插入損耗和回波損耗在W波段內(nèi)的曲線。b3的尺寸應(yīng)與微帶的寬度相差不大，以盡量減少因微帶線與反對(duì)稱漸變探針連接部分尺寸突變帶來(lái)的影響。d的尺寸如果過(guò)小，則會(huì)影響場(chǎng)分布。在仿真優(yōu)化時(shí)，可以先大致確定b0和b3的值，再調(diào)節(jié)d的值以快速達(dá)到最佳的效果。

由圖 5、6和 7可知，當(dāng) b0=0.6 mm，d=0.15 mm，b3=0.33 mm時(shí)可得到比較好的場(chǎng)耦合，且在尺寸變化不大的范圍內(nèi)仍可以取得較好的效果，故降低了加工的精度。在設(shè)計(jì)中，較大尺寸的過(guò)渡結(jié)構(gòu)可以保證良好的過(guò)渡性能，但設(shè)計(jì)人員都希望過(guò)渡段越短越好，另一方面尺寸過(guò)短又會(huì)使回波損耗顯著增加，所以選擇一個(gè)合理的過(guò)渡長(zhǎng)度，對(duì)過(guò)渡特性有很重要的影響，此結(jié)構(gòu)中最后優(yōu)化的b1=0.88 mm。綜合以上幾種參數(shù)的掃描結(jié)果分析，再結(jié)合表1所給尺寸可得仿真結(jié)果如圖8。在W波段全波導(dǎo)帶寬內(nèi)，插入損耗小于0.088 dB，回波損耗大于27 dB。在中心頻率處，插入損耗為0.073 dB，回波損耗為39.2 dB。圖中虛線為插入損耗，實(shí)線為回波損耗。

圖5 不同的b0值所對(duì)應(yīng)的S參數(shù)曲線Fig.5 Simulated S-parameters of different b0

圖6 不同的d值所對(duì)應(yīng)的S參數(shù)曲線Fig.6 Simulated S-parameters of different d

圖7 不同的b3值所對(duì)應(yīng)的S參數(shù)曲線Fig.7 Simulated S-parameters of different b3

4 結(jié) 論

圖8 插入損耗和回波損耗的仿真結(jié)果Fig.8 Simulated insertion and return losses

文中設(shè)計(jì)了一種中心頻率為94 GHz的波導(dǎo)-微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)并采用HFSS對(duì)其進(jìn)行了仿真和優(yōu)化。從仿真結(jié)果分析可知，該過(guò)渡設(shè)計(jì)具有頻帶寬，插入損耗小，回波損耗大，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單和加工容易的特性，又因整個(gè)阻抗變換部分都在波導(dǎo)腔內(nèi)完成，使其具有結(jié)構(gòu)緊湊的特性，故該結(jié)構(gòu)在毫米波段的應(yīng)用前景非常廣闊。

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