毫米波寬帶H 面波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

李 鈺， 翁鵬飛

（華東師范大學(xué) 上海200062）

隨著毫米波技術(shù)在現(xiàn)代無線通訊系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，對各種高性能單片微波集成電路（MMIC）的需求也日益迫切。微帶線是現(xiàn)有毫米波集成電路中最基本的傳輸線形式，各個MMIC 單片主要采用微帶線相連接。 然而由于金屬波導(dǎo)具有高功率容量和高Q 值的特性，因此是毫米波亞毫米波頻段進行端口連接和傳出的重要結(jié)構(gòu)。 在毫米波電路和系統(tǒng)中經(jīng)常需要進行這兩種傳輸線形式的轉(zhuǎn)換。 這些轉(zhuǎn)換裝置要實現(xiàn)阻抗變換和過渡連接的功能。 因此，設(shè)計寬頻帶、低損耗及結(jié)構(gòu)緊湊的微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是進行毫米波MMIC 電路研究的基礎(chǔ)。

文中從工程實際出發(fā)，對各種波導(dǎo)微帶過渡方式進行理論分析和比較， 最終采用H 面的波導(dǎo)微帶探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，并使用三維電磁仿真軟件HFSS 對Ka 波段全帶寬的背靠背的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[1-2]進行了仿真。 仿真結(jié)果表明在26.5-40 GHz 的波導(dǎo)全帶寬內(nèi)，端口的反射系數(shù)小于-20 dB，帶內(nèi)損耗小于0.3 dB。

1 過渡結(jié)構(gòu)的選型

標準的矩形波導(dǎo)與微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有多種轉(zhuǎn)換形式[3-6]，分別對各頻段波導(dǎo)微帶的過渡結(jié)構(gòu)進行相應(yīng)的研究設(shè)計。 波導(dǎo)到微帶的過渡方式根據(jù)過渡方式的不同有如下幾種：波導(dǎo)微帶開槽過渡、波導(dǎo)微帶鰭線過渡和波導(dǎo)微帶探針過渡。 下面分別對以上幾種過渡方式進行相應(yīng)的簡單理論分析。 實際上微帶探針型波導(dǎo)微帶探針過渡結(jié)構(gòu)是從同軸探針結(jié)構(gòu)發(fā)展而來的， 同軸探針過渡結(jié)構(gòu)如圖1 所示。 由于工作頻率，損耗，駐波等限制，在實際工程中逐漸應(yīng)用波導(dǎo)微帶探針過渡結(jié)構(gòu)代替同軸波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)。

圖1 同軸微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 1 Coaxial-microstrip transition structure

在波導(dǎo)微帶過渡的結(jié)構(gòu)中，波導(dǎo)微帶鰭線過渡結(jié)構(gòu)是一種比較常用的過渡結(jié)構(gòu)，如圖2 所示。 該過渡結(jié)構(gòu)是采用對級鰭線實現(xiàn)的，是微帶和波導(dǎo)進行場轉(zhuǎn)換以及阻抗匹配的一種共軸過渡結(jié)構(gòu)。 鰭線方式的過渡具有結(jié)構(gòu)簡單，帶寬較寬等特點。 過渡的鰭線結(jié)構(gòu)線型可選擇為指數(shù)型曲線、余弦型曲線或其它曲線結(jié)構(gòu)。 波導(dǎo)微帶脊波導(dǎo)過渡是采用從波導(dǎo)寬邊延伸出的脊波導(dǎo)作為波導(dǎo)到微帶的阻抗變換一種過渡方式，該過渡形式損耗較小、帶寬較寬，然而由于脊波導(dǎo)過渡對機械加工的要求很高，其性能很大程度依賴于脊波導(dǎo)過渡末端金屬脊和微帶的接觸，導(dǎo)致實際裝配中很難保證重復(fù)性和一致性， 因此這種過渡方式很難保證過渡性能的一致性，實際的工程應(yīng)用中一般不采用該過渡方式。 基于電磁場耦合的波導(dǎo)微帶探針過渡是目前毫米波頻段使用最為廣泛的過渡形式，因為其具有插損小、結(jié)構(gòu)簡單、尺寸小、帶寬寬等特點，它是將微帶探針通過波導(dǎo)寬邊或窄邊開孔插人波導(dǎo)腔中，通過插入波導(dǎo)腔中微帶探針把波導(dǎo)中的電磁場耦合到微帶上，如圖3 所示。 矩形波導(dǎo)中距離過渡探針的四分之一波長的短路面起到保證探針在波導(dǎo)內(nèi)處于最大電壓，即電場最強位置的作用。 它的優(yōu)點是插入損耗低，具有較大工作帶寬，且其結(jié)構(gòu)緊湊，加工方便，裝卸容易。

圖2 波導(dǎo)微帶鰭線過渡結(jié)構(gòu)Fig. 2 Waveguide-microstrip fin line transition structure

圖3 波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 3 Waveguide-microstrip transition structure

微帶探針型波導(dǎo)微帶探針過渡結(jié)構(gòu)是從同軸探針結(jié)構(gòu)發(fā)展而來，通過一段起耦合探針作用的微帶線把波導(dǎo)中的電場耦合到微帶線中，然后利用高感抗線與四分之一波長的阻抗變換器實現(xiàn)探針與微帶線的阻抗匹配。 通常為減小由于阻抗不匹配帶來的過渡結(jié)構(gòu)插損過大的影響和增加過渡結(jié)構(gòu)的工作帶寬，通常采用如圖4 所示的結(jié)構(gòu)。

圖4 探針過渡阻抗?jié)u變結(jié)構(gòu)Fig. 4 Probe gradual transition impedance structure

根據(jù)傳統(tǒng)的波導(dǎo)微帶結(jié)構(gòu)模型， 在Ka 波段為了實現(xiàn)全帶寬低插損、結(jié)構(gòu)緊湊的波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)，本論文選用H面波導(dǎo)微帶探針過渡結(jié)構(gòu)，并在探針過渡處采用阻抗?jié)u變的方式以增加該結(jié)構(gòu)的工作帶寬，如圖5 所示。 介質(zhì)基片穿過矩形波導(dǎo)安裝，已提供一個波導(dǎo)窗并提供定位保證，從而構(gòu)成一種密封的過渡結(jié)構(gòu)。 在該過渡結(jié)構(gòu)中，微帶探針與整個微帶電路制作在一塊PCB 電路板上，具有結(jié)構(gòu)簡單，重復(fù)性好的特點。

圖5 本文設(shè)計的波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 5 Design of our waveguide-microstrip transition structure

在該結(jié)構(gòu)中，微帶線導(dǎo)體帶面向波導(dǎo)短路面放置，進入波導(dǎo)的微帶線截至底面無金屬層，50 歐姆的微帶線通過阻抗變換線過渡到高阻線，進而過渡到低阻線，經(jīng)過兩次阻抗變換實現(xiàn)探針的過渡。 采用高阻線可以減小微帶線與波導(dǎo)縫隙之間的耦合電容，高阻線兩端采用漸進過渡的方式完成阻抗匹配，以達到寬頻帶工作的目的。

2 仿真結(jié)果

采用三維電磁仿真軟件對該波導(dǎo)微帶探針進行建模仿真和優(yōu)化。 該背靠背的H 面波導(dǎo)微帶探針過渡如圖6 所示，仿真曲線如圖7 所示。 從仿真結(jié)果可以看出，該波導(dǎo)微帶過渡在Ka 波段的全帶寬內(nèi)達到了很好的仿真結(jié)果。 該波導(dǎo)微帶過渡在26 到40 GHz 的全頻段范圍

內(nèi)的反射系數(shù)小于-20 dB，插損小于-0.3 dB，該結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果可以很好地滿足實際工程的指標需求。

圖6 波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)Fig. 6 Waveguide-microstrip transition structure

圖7 波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果Fig. 7 Simulation results of Waveguide-microstrip transition structure

3 結(jié) 論

本文對Ka 波段全帶寬的H 面波導(dǎo)微帶探針過渡結(jié)構(gòu)進行了仿真設(shè)計，實現(xiàn)了在Ka 波段全帶寬范圍內(nèi)良好的效果，利用三維電磁仿真軟件HFSS 對該結(jié)構(gòu)進行了仿真設(shè)計和優(yōu)化，仿真結(jié)果表明：背靠背的H 面波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了在全頻帶26.5-40 GHz 的頻段內(nèi)實現(xiàn)了插損小于0.3 dB，端口反射系數(shù)小于20 dB 的設(shè)計結(jié)果。 該結(jié)構(gòu)在實際工程應(yīng)用中具有很高的工程使用價值。

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