一種Ka波段微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)

張國強(qiáng) 王 潔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)中，作為核心部件的T/R組件一直是研究的重點(diǎn)。構(gòu)成組件的關(guān)鍵部件毫米波單片集成電路往往通過微帶形式連接，而在毫米波測試和傳輸系統(tǒng)中，矩形波導(dǎo)是主要的傳輸形式。于是有必要對微帶到矩形波導(dǎo)接口的轉(zhuǎn)換進(jìn)行深入研究。

在使用波導(dǎo)接口的毫米波系統(tǒng)中，利用微帶電路集成度高的特點(diǎn)使微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)必不可少。微帶-波導(dǎo)過渡要求低損耗、寬頻帶、易加工等特點(diǎn)，目前過渡形式主要有以下幾種方式:鰭線過渡、小孔耦合、脊波導(dǎo)過渡以及E-面探針過渡［1］。鰭線過渡可視為準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，易于系統(tǒng)集成，在毫米波混合集成電路中得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)于微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外已有多篇報(bào)道［2-6］。本文分析了微帶、波導(dǎo)的傳輸模式，并在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種Ka波段微帶-波導(dǎo)鰭線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，通過高頻微波設(shè)計(jì)軟件HFSS仿真，根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果加工實(shí)物測試表明:頻帶內(nèi)插入損耗小于0.3dB，回波損耗優(yōu)于20dB，輸入輸出駐波優(yōu)于1.20。

1 理論分析

1.1 鰭線結(jié)構(gòu)

如圖1所示，鰭線由單面或雙面敷有金屬膜的厚度為S或2S的介質(zhì)基片插入毫米波波導(dǎo)腔中構(gòu)成，在金屬膜中央對稱軸線處去掉一定寬度的金屬層形成一個(gè)縫隙W，單面金屬膜處于波導(dǎo)寬邊中央與寬邊垂直，而與波導(dǎo)寬邊并不要求十分嚴(yán)格的連接，因?yàn)閷E10波來講，在波導(dǎo)寬邊中心處的高頻電流是縱向的，平行于金屬鰭，所以鰭與波導(dǎo)壁的不良連接并不會切斷高頻電流。

1.2 鰭線傳輸模式

圖1 鰭線結(jié)構(gòu)

在鰭線中傳播的是一種混合波，它由TE模和TM?；旌隙?。鰭線的主要優(yōu)點(diǎn)是:a.準(zhǔn)TE10模的單模帶寬比對應(yīng)的矩形波導(dǎo)的TE10模單模帶寬要寬;b.尺寸能與毫米波有源或無源器件共度，可以與多種電路集成;c.波導(dǎo)波長比同一頻率下微帶線中的波導(dǎo)波長長，加工公差要求比微帶低;d.由標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)構(gòu)成，易于在整個(gè)波導(dǎo)帶寬內(nèi)與波導(dǎo)系統(tǒng)連接。

鰭線的特性阻抗有很多的計(jì)算公式，使用最多的是如下的計(jì)算公式［7］，這一公式適用于0＜b/a≤1，1/64＜S/a≤1/4及介質(zhì)基片相對介電常數(shù)在1≤εr≤3．75 的取值范圍。

λ為自由空間工作波長;λg為鰭線波導(dǎo)波長;d為介質(zhì)基片厚度。

εe為鰭線有效介電常數(shù)，λca為存在介質(zhì)基片時(shí)鰭線的截止波長。

2 仿真實(shí)現(xiàn)

如圖2(a)所示，在HFSS中建模，仿真中采用基片材料Rogers5880，介電常數(shù)為2.2，基片厚度為0.254mm，上下金屬覆銅厚度為0.018mm，波導(dǎo)接口為標(biāo)準(zhǔn)BJ320，長度為7.12mm，寬度為3.56mm。仿真變量包括鰭線寬度W1，長度L1，階梯高H1，以及切口尺寸b1。微帶-波導(dǎo)過渡的初始尺寸為:

仿真參數(shù) W1 L1 H1 b1初始值(mm) 0.6 8.3 0.3 0.2

圖3 微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換實(shí)物圖

圖2(b)所示是微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換電場仿真結(jié)果，可以看出電場在波導(dǎo)腔體內(nèi)能夠很好的傳輸，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

由圖 4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可知，在頻帶范圍內(nèi)，微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換仿真插入損耗可以小于0.3dB，回波損耗優(yōu)于20dB，輸入輸出駐波優(yōu)于1.20，并且具有很好的相位一致性。

根據(jù)仿真優(yōu)化結(jié)果得到的最終尺寸，加工實(shí)物，測試結(jié)果如下:

通過仿真與測試得到了很好的器件參數(shù)，滿足設(shè)計(jì)要求，采用一端接標(biāo)準(zhǔn)的BJ320波導(dǎo)，另一端通過絕緣子燒結(jié)于微帶板的形式進(jìn)行微波激勵(lì)。

實(shí)物測試結(jié)果表明:在頻帶范圍內(nèi)，微帶-波導(dǎo)探針插入損耗小于0.3dB，端口駐波優(yōu)于1.2，與仿真結(jié)果基本吻合，證明了該種設(shè)計(jì)方法的可行性。在后期的設(shè)計(jì)中，可以采用更先進(jìn)的工藝技術(shù)，使仿真和實(shí)物達(dá)到很好的一致性，各項(xiàng)指標(biāo)還會有優(yōu)化的可能性。

圖4 微帶-波導(dǎo)過渡仿真曲線

圖5 微帶-波導(dǎo)過渡實(shí)物測試曲線

3 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)的微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，具有低損耗、寬頻帶、易加工等特點(diǎn)，可以很好的解決在毫米波頻段信號傳輸?shù)钠款i問題，能夠?yàn)槭瞻l(fā)組件的過渡轉(zhuǎn)換提供良好的解決方案。

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