一種Ka波段寬帶同軸探針過(guò)渡的設(shè)計(jì)＊

汪寅安 黃 敏

（1.海軍駐武漢三江航天集團(tuán)軍代室 武漢 430040）（2.中國(guó)航天科工四院紅峰公司 孝感 432000）

1 引言

目前，低成本和高可靠性的毫米波單片集成電路使用日趨廣泛。在發(fā)展毫米波單片集成電路的過(guò)程中，設(shè)備和電路的特性要求一種波導(dǎo)和微帶之間的過(guò)渡。在工程上需要尋找低損耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單易加工的過(guò)渡形式。目前常見的形式有三種：鰭線過(guò)渡、探針過(guò)渡和脊波導(dǎo)過(guò)渡。

某型近炸引信采用的是鰭線過(guò)渡的方式，該方式具備低損耗、寬頻帶的特點(diǎn)，且一致性較好，在工程應(yīng)用中，只需完成裝配，不需要額外的調(diào)試工作。但由于鰭線過(guò)渡的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，波導(dǎo)腔體和射頻基片部件在空間上是互通的，波導(dǎo)口屬于空間開放的結(jié)構(gòu)，因此就無(wú)法保證射頻基片部件的密封性，從而導(dǎo)致基片部件不能長(zhǎng)期貯存。針對(duì)這種情況，需要另外設(shè)計(jì)一種能保證射頻基片部件密封性的過(guò)渡方式。

2 波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡

波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡以電磁波傳播方向分為兩種形式：微帶線平面的法線方向和波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播方向一致；微帶線平面的法線方向和波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播方向垂直。這兩種方式都是將探針通過(guò)波導(dǎo)寬邊中心插入波導(dǎo)腔中，利用起耦合作用的探針把電場(chǎng)在微帶線和波導(dǎo)腔之間耦合，因此這兩種方式原理一致，僅是結(jié)構(gòu)形式上不同。在某型近炸引信中，由于天線法蘭盤的安裝位置，需要波導(dǎo)腔內(nèi)電磁波傳播方向與微帶線平面法線方向垂直。

波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡按探針種類也可分為兩種形式：同軸探針過(guò)渡、微帶探針過(guò)渡。微帶探針過(guò)渡中探針由微帶線制成，微帶探針可以與射頻基片部件整體制作，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、一致性好的特點(diǎn)，且重量較輕。如果系統(tǒng)對(duì)體積和重量有特殊要求，可以考慮使用微帶探針過(guò)渡。但同鰭線過(guò)渡一樣，微帶探針過(guò)渡中波導(dǎo)腔和射頻基片部件有空間上的互通，無(wú)法滿足密封性的要求。此次設(shè)計(jì)使用的是同軸探針過(guò)渡的方式，此方式在結(jié)構(gòu)上可以滿足工程應(yīng)用中的密封性要求，但在初步裝配完成后，需要調(diào)試。

3 仿真模型及參數(shù)計(jì)算

利用CST軟件建立的Ka波段波導(dǎo)－微帶過(guò)渡的仿真模型，如圖1所示。

圖1 Ka波段波導(dǎo)－微帶過(guò)渡CST仿真模型

3.1 微帶線計(jì)算

微帶線是目前最流行的平面?zhèn)鬏斁€，主要是因?yàn)樗梢杂谜障嘤≈乒に嚰庸?，并且容易與其他無(wú)源和有源微波器件集成，工程應(yīng)用方便。

圖1中右邊的結(jié)構(gòu)為微帶線部分。黑灰色底層為地層；中間綠色層為介質(zhì)層，其介電常數(shù)εr為2.2，厚度d為0.254mm；上層為導(dǎo)體層，金屬結(jié)構(gòu)，厚度為0.017mm。計(jì)算導(dǎo)體層寬度w如下：

式（1）中，Z0為微帶線的特征阻抗，設(shè)計(jì)值要求為50Ω。εe為微帶線的有效介電常數(shù)，計(jì)算公式如下：

將各式及參數(shù)代入（1）式中，預(yù)設(shè)w／d≥1，可以得到w＝0.79mm。預(yù)設(shè)w／d≤1，計(jì)算得到w大于d，與預(yù)設(shè)沖突，假設(shè)不成立。因此導(dǎo)體層金屬條寬度w為0.79mm。

3.2 基片寬度計(jì)算

介質(zhì)基片厚度0.254mm，根據(jù)屏蔽盒設(shè)計(jì)理論，屏蔽盒高應(yīng)大于五到十倍基片厚度。仿真模型中仿真盒高為波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)7.12mm，介質(zhì)板和接地板的寬度仿真參數(shù)值為5mm，均大于0.254×10的要求。

3.3 波導(dǎo)和短路活塞計(jì)算

Ka波段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸為7.12mm×3.56mm，工作頻率26.5GHz～40GHz。矩形波導(dǎo)可以等效為均勻傳輸線，傳輸線上的電磁波是由入射波和反射波疊加而成，反射波的大小取決于傳輸線的終端負(fù)載。終端負(fù)載的不同，決定終端處的反射系數(shù)，從而決定了傳輸線上的電磁波分布。當(dāng)終端短路時(shí)，其反射系數(shù)為－1，根據(jù)傳輸線理論，距終端λg／4處反射系數(shù)為1。此處電磁波全反射，入射波和反射波疊加最大，傳輸損耗最小。因此，探針應(yīng)在寬邊中心，距終端短路面λg／4處插入波導(dǎo)腔，此時(shí)傳輸損耗最小。

λg／4的計(jì)算方式如下：

在矩形波導(dǎo)傳輸模式中，每個(gè)模（m和n的組合）具有由下式給出的截止頻率fcmn：

截止頻率最低的模式為基模，假定a＞b，則最低的fc出現(xiàn)在TE10（m＝1，n＝0）模：

在給定的工作頻率f下，只有f＜fc10的模才能夠在波導(dǎo)腔內(nèi)傳播，因此fc10即為矩形波導(dǎo)的截止頻率。式（4）中μ、ε為波導(dǎo)內(nèi)填充材料的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率。某型近炸引信中，波導(dǎo)腔內(nèi)無(wú)填充材料，即為空氣。空氣的相對(duì)介電常數(shù)和相對(duì)磁導(dǎo)率均為1，因此根據(jù)式（4）可以得到：

a為波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)，Ka波段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)寬邊長(zhǎng)為7.12mm，因此對(duì)應(yīng)的λc為14.24mm。波導(dǎo)波長(zhǎng)λg計(jì)算方式如下：

某型近炸引信工作中心頻率為fGHz，對(duì)應(yīng)自由空間內(nèi)電磁波波長(zhǎng)λ＝c／f，c是自由空間電磁波的傳播速度，即光速，可以得到λ為′x′mm，代入式（6）可以得到λg＝′y′mm。則探針距波導(dǎo)終端短路面λg／4的距離為′z′mm。此參數(shù)將影響到探針過(guò)渡在頻帶內(nèi)的性能，需要在仿真時(shí)加以優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4 影響性能因素分析

探針的長(zhǎng)度和直徑：探針的長(zhǎng)度和直徑是對(duì)過(guò)渡性能產(chǎn)生明顯影響的參量。從仿真結(jié)果看，探針長(zhǎng)度對(duì)過(guò)渡性能的影響更大。使用CST軟件對(duì)1.6mm～2.2mm間的不同探針長(zhǎng)度進(jìn)行了仿真，相對(duì)于工作頻段而言，以1.8mm的探針長(zhǎng)度最優(yōu)。

短路活塞：從3.3節(jié)的分析可以知道，短路活塞即探針到波導(dǎo)終端短路面的距離，對(duì)波導(dǎo)內(nèi)電磁波傳播的功率有影響，只有當(dāng)此距離為適合值時(shí)，探針位置處才是全反射，傳播的電磁波功率值最大，過(guò)渡的損耗才最小。在實(shí)際仿真中，當(dāng)此參數(shù)值從2.8mm降到2.2mm過(guò)程中，頻帶內(nèi)的插損略有降低。當(dāng)從2.2mm繼續(xù)下降時(shí)，仿真結(jié)果的中心頻率將偏離所需值，因此確定探針到波導(dǎo)終端短路面距離為2.2mm。

探針介質(zhì)層：其長(zhǎng)度、半徑、相對(duì)介電常數(shù)對(duì)過(guò)渡的性能都有影響，不過(guò)這三個(gè)因素是相互制約的，當(dāng)其中兩個(gè)參數(shù)值確定，另一個(gè)參數(shù)根據(jù)仿真結(jié)果有最優(yōu)解?？紤]到介質(zhì)層的長(zhǎng)度即波導(dǎo)腔壁厚，如果偏低，很難滿足結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的要求，但如果偏大，對(duì)空間體積是一種浪費(fèi)，綜合考慮，首先確定這個(gè)值為2mm。介質(zhì)層的相對(duì)介電常數(shù)參照常見值，定為6。在這兩個(gè)參數(shù)確定的條件下，根據(jù)仿真結(jié)果，半徑1mm時(shí)性能最佳。工程應(yīng)用中，由于采購(gòu)器件的參數(shù)和仿真值可能不同，這三個(gè)參數(shù)需要根據(jù)實(shí)際情況代入模型重新仿真，此次仿真只能分析三個(gè)參數(shù)值對(duì)過(guò)渡性能致的影響，并給出參數(shù)值的相互制約關(guān)系和大量綱范圍，用于指導(dǎo)實(shí)際應(yīng)用時(shí)的器件選擇。

圖2 探針部分模型圖

探針部分的模型見圖2。模型具體參數(shù)見表1。

表1 模型參數(shù)值

Parameter name Value Description絕緣R半徑 1絕緣子半徑a 3.56 波導(dǎo)長(zhǎng)b 7.12 波導(dǎo)寬d 2.2 探針到波導(dǎo)底部的距離h 0.017 微帶線厚h1 0.254 基片厚度h2 0.5 地板厚底1 1.8 探針伸入波導(dǎo)長(zhǎng)度12 1 探針微帶部分長(zhǎng)度13 10 微帶線長(zhǎng)r1 0.15 探針半徑w 0.79 策微帶線寬x 2絕緣子長(zhǎng)度

5 仿真結(jié)果

使用CST軟件對(duì)模型進(jìn)行仿真，結(jié)果如下：

圖3為1端口反射系數(shù)的仿真結(jié)果，在所需的工作頻帶內(nèi)，S11的值低于－16dB，滿足設(shè)計(jì)和工程使用的要求。

圖3 反射系統(tǒng)仿真結(jié)果

圖4 插入損耗仿真結(jié)果

圖5為探針過(guò)渡的插入損耗，是過(guò)渡性能的重要指標(biāo)，其值的大小代表了信號(hào)功率在微帶和波導(dǎo)間傳輸?shù)乃p值。仿真結(jié)果表明工作頻帶內(nèi)插損值均小于0.5dB，滿足設(shè)計(jì)預(yù)期。

6 結(jié)語(yǔ)

同軸探針過(guò)渡由于結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)，在安裝時(shí)，探針進(jìn)入波導(dǎo)腔內(nèi)的長(zhǎng)度一致性較差，需要采取措施進(jìn)行后續(xù)調(diào)試。從性能上看，通過(guò)過(guò)渡模型的建立和CST軟件的多次參數(shù)優(yōu)化，得到了較為理想的仿真結(jié)果。在工作頻段內(nèi)，插入損耗S21小于0.5dB，反射系數(shù)S11小于－16dB。仿真結(jié)果表明，該同軸探針過(guò)渡具有寬頻帶，低插損、低駐波的特點(diǎn)，并且在結(jié)構(gòu)上保證良好的密封性，可以指導(dǎo)實(shí)際工程應(yīng)用。

［1］薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)［M］.哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)出版社，2004.

［2］張肇儀等，譯.微波工程［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.