一種介質(zhì)密封型微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

張生春, 張國(guó)強(qiáng), 張山杉, 廖　原

(西安電子工程研究所 微波工程事業(yè)部， 陜西 西安 710100)

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一種介質(zhì)密封型微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

張生春, 張國(guó)強(qiáng), 張山杉, 廖原

(西安電子工程研究所 微波工程事業(yè)部， 陜西 西安 710100)

設(shè)計(jì)一種適用于有密封性要求的毫米波收發(fā)組件的微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器。采用微帶探針形式實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)從微帶傳輸?shù)讲▽?dǎo)傳輸?shù)霓D(zhuǎn)換，通過(guò)微帶過(guò)渡和波導(dǎo)空氣腔實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換的良好匹配，采用介質(zhì)密封環(huán)實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)口的密封。實(shí)例測(cè)試結(jié)果表明，在30～40 GHz頻率范圍內(nèi)，轉(zhuǎn)換器駐波比小于1.4，插入損耗小于0.3 dB。

毫米波；微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換；密封型；小型化

隨著毫米波砷化鎵、氮化鎵單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)芯片的迅速發(fā)展，使得作為毫米波有源相控陣?yán)走_(dá)的關(guān)鍵部件——收發(fā)(Transmitter and Receiver，T/R)組件得到了快速發(fā)展[1]。在毫米波收發(fā)組件內(nèi)部廣泛使用的傳輸線形式是微帶線，而天線接口一般為波導(dǎo)接口。如何有效地在通道間距僅為4～5.5 mm的收發(fā)組件中，實(shí)現(xiàn)微帶到波導(dǎo)的微波傳輸方式轉(zhuǎn)換，成為毫米波工程應(yīng)用研究方向之一。

目前，常用的轉(zhuǎn)換形式有鰭線過(guò)渡[1]、脊波導(dǎo)過(guò)渡[2]、小孔耦合[3]、同軸絕緣子探針過(guò)渡[4-7]、微帶探針過(guò)渡[8-9]等。在毫米波段，上述轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)都能實(shí)現(xiàn)微帶到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換，但將其應(yīng)用于有源相控陣?yán)走_(dá)多通道組件上，均不滿足毫米波多通道T/R組件的小型化、密封性、易集成的要求。鰭線和脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)太大，小孔耦合和一般微帶探針都沒(méi)有實(shí)現(xiàn)密封，而同軸探針過(guò)渡不易進(jìn)行組裝。

本文針對(duì)毫米波有源相控陣多通道收發(fā)組件微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換問(wèn)題，設(shè)計(jì)一種改進(jìn)的介質(zhì)密封性微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，以期解決微帶波導(dǎo)過(guò)渡中的低損耗、寬頻帶、小型化和密封型問(wèn)題。

1　模型分析和電路設(shè)計(jì)

1.1轉(zhuǎn)換模型分析

微帶電路的微波傳輸主模式為準(zhǔn)TEM模式，波導(dǎo)的傳輸模式為TE10模式。微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器有E面探針和H探針兩種結(jié)構(gòu)形式。轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵在于用微帶探針形成一種激勵(lì)裝置，使得在波導(dǎo)某一截面建立的電場(chǎng)，與所要激勵(lì)的波導(dǎo)TE10模式的電場(chǎng)分布一致[10]。E面波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換原理如圖1所示，微帶探針從波導(dǎo)寬邊的中央插入，激勵(lì)波導(dǎo)傳輸?shù)碾姶艌?chǎng)。

圖1　E面波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換原理

波導(dǎo)一側(cè)有短路面，通過(guò)調(diào)節(jié)短路面的位置和探針在波導(dǎo)中的深度，可在波導(dǎo)的另一側(cè)獲得傳輸所需的TE10模式，使其幅度盡可能大。通過(guò)計(jì)算探針在波導(dǎo)中的輸入阻抗，再加一段微帶阻抗匹配枝節(jié)，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)到50 Ω微帶線的匹配，從而實(shí)現(xiàn)良好的過(guò)渡性能。

矩形波導(dǎo)在TE10模式下探針的輸入阻抗[10]為

Zin=R+jX,

(1)

式中

(2)

(3)

其中，a，b分別為波導(dǎo)的寬邊和窄邊的長(zhǎng)度，η為空氣波阻抗，β10為矩形波導(dǎo)TE10模式相移常數(shù)，k為傳播常數(shù)，L為短路面的位置，d為探針的長(zhǎng)度。

由式(1)、式(2)和式(3)可知，轉(zhuǎn)換器的探針輸入阻抗是探針長(zhǎng)度d和短路面距離L的函數(shù)，可選擇一定的d和L，使輸入探針電阻和微帶線的特性阻抗相等，調(diào)節(jié)輸入探針的電抗以抵消各高次模式引入的電抗，從而使入射信號(hào)盡可能地耦合到波導(dǎo)內(nèi)，即可實(shí)現(xiàn)最佳匹配。

1.2轉(zhuǎn)換模型改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖1中E面波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器的波導(dǎo)為標(biāo)準(zhǔn)WR10波導(dǎo)，轉(zhuǎn)換器尺寸較大，無(wú)法滿足毫米波多通道T/R組件間距尺寸要求；同時(shí)微帶探針探入波導(dǎo)腔內(nèi)，沒(méi)有實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)對(duì)外的密封，影響組件可靠性。因此，對(duì)E面探針轉(zhuǎn)換器進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。改進(jìn)的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器如圖2所示。

圖2　改進(jìn)的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器結(jié)構(gòu)

具體改進(jìn)如下。

(1)采用減高波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換(端口尺寸為7.11 mm×1 mm)，減小轉(zhuǎn)換的結(jié)構(gòu)尺寸。

(2)采用波段階梯過(guò)渡實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換波導(dǎo)到輸出波導(dǎo)的過(guò)渡。

(3)采用介質(zhì)密封環(huán)將波導(dǎo)口覆蓋，實(shí)現(xiàn)對(duì)波導(dǎo)口的密封。

(4)采用匹配空氣腔，提高轉(zhuǎn)換的傳輸匹配性。

2　仿真設(shè)計(jì)

利用三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)圖2的改進(jìn)微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行建模仿真。

轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換波導(dǎo)的尺寸為7.11 mm×1 mm，輸出波導(dǎo)尺寸為7.11 mm×2 mm，采用兩次階梯波導(dǎo)進(jìn)行過(guò)渡。微帶介質(zhì)采用介電常數(shù)為2.2 的Rogers RT/duroid材料，微帶厚度為0. 127 mm，線寬為0.38 mm。微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)的結(jié)合處采用介質(zhì)環(huán)對(duì)波導(dǎo)口進(jìn)行覆蓋。波導(dǎo)短路面一側(cè)加入匹配空氣腔增加匹配性。

微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型如圖3 所示。

圖3　微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器模型

在仿真中分別對(duì)微帶探針的長(zhǎng)邊和寬邊、探針進(jìn)入波導(dǎo)的位置、反射面的位置、階梯波導(dǎo)的窄邊寬度進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化設(shè)計(jì)，最終得出微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的仿真插入損耗和電壓駐波比，結(jié)果分別如圖4和圖5所示。

圖4　插入損耗仿真結(jié)果

圖5　電壓駐波比仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可見(jiàn)，在30～40 GHz的寬頻帶內(nèi)轉(zhuǎn)換器插損小于0.05 dB，駐波比小于1.17，從而提高了轉(zhuǎn)換器的工作帶寬。

3　實(shí)例測(cè)試

將改進(jìn)的微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器應(yīng)用于毫米波8通道收發(fā)組件，組件通道間距為4.8 mm，采用微波微帶介質(zhì)板對(duì)波導(dǎo)口進(jìn)行微組裝共晶燒結(jié)工藝密封，設(shè)計(jì)實(shí)物如圖6所示。

圖6　毫米波收發(fā)組件微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

應(yīng)用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(N5244)對(duì)毫米波組件的微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換端口駐波進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖7所示。

圖7　毫米波收發(fā)組件端口駐波測(cè)試

由圖7可見(jiàn)，微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器端口駐波比小于1.4，從而驗(yàn)證了改進(jìn)的微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器具有良好的毫米波信號(hào)傳輸性能。

由于收發(fā)組件的集成設(shè)計(jì)，微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器無(wú)法進(jìn)行傳輸損耗的單獨(dú)測(cè)試。但是，通過(guò)測(cè)試收發(fā)組件中與微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換性能直接相關(guān)的指標(biāo)，如發(fā)射功率、噪聲系數(shù)、接收增益等，進(jìn)行預(yù)估計(jì)算，微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器插入損耗應(yīng)小于0.3 dB。

4　結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)E面波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器改進(jìn)，得到改進(jìn)的介質(zhì)密封性微帶波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，對(duì)其進(jìn)行建模仿真優(yōu)化。實(shí)例測(cè)試結(jié)果表明，該轉(zhuǎn)換器端口駐波比小于1.4，插入損耗小于0.3 dB，具有小型化、密封型和易集成的特點(diǎn)。

[1]張國(guó)強(qiáng),楊莉,崔敏.一種新型小型化收發(fā)組件的設(shè)計(jì)[J/OL].火控雷達(dá)技術(shù),2015,44(2):83-86[2016-01-10].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1008-8652.2015.02.019.

[2]張國(guó)強(qiáng),王潔.一種Ka波段微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)[J/OL].火控雷達(dá)技術(shù),2014,43(2):82-85[2016-01-10].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1008-8652.2014.02.019.

[3]ZAHID Y，ABDUI M，MUHAMMAD I．Narrow band ridge waveguide to microstrip transition for low noise amplifier at Ku band[C/OL]//2009 International Bhurhan Conference on Applied Sciences and Technology (IBCAST), Islamabad:IEEE ,2009: 140-143[2016-01-10].http://ieeexplore.ieee.org/xpls/icp.jsp?arnumber=5596223.

[4]宋志東,張國(guó)強(qiáng),崔敏.一種Ka波段寬帶波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器的研制[J/OL].火控雷達(dá)技術(shù),2014,43(4):71-77[2016-01-12].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1008-8652.2014.04.017.

[5]王潔,崔敏,雷國(guó)忠.小型氣密矩形波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器的研制[J/OL].火控雷達(dá)技,2009,38(2):93-96[2016-01-12].http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1008-8652.2009.02.024.

[6]夏侯海.一種氣密型毫米波微帶-波導(dǎo)變換結(jié)構(gòu)[J/OL]現(xiàn)代雷達(dá),2014,36(8):47-49[2016-01-12] .http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1004-7859.2014.08.012.

[7]許志濤,許軍.Ka頻段矩形波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[J/OL].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),2013,42(5):684-687[2016-01-15] .http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1001-0548.2013.05.008.

[8]張春艷.K波段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換裝置的設(shè)計(jì)[J/OL]. 真空電子技術(shù),2013(2):39-42[2016-01-15]. http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1002-8935.2013.02.009.

[9]陳小忠,閆書保.Ku頻段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)與分析[J/OL].現(xiàn)代計(jì)算機(jī),2015,9(2):58-61[2016-01-16]. http://dx.chinadoi.cn/10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.016.

[10] 傅君眉,馮恩信. 高等電場(chǎng)理論[M]. 西安：西安交通大學(xué)出版社,2000:125-129.

[責(zé)任編輯:祝劍]

Design of microstrip waveguide transition with sealing

ZHANG Shengchun,ZHANG Guoqiang,ZHANG Shanshan,LIAO Yuan

(Microwave Engineering Business Division, Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

A microstrip waveguide transition for the millimeter wave microstrip waveguide conversion circuit with sealing requirements is designed. In this design, a microstrip probe is used in the circuit to complete the transition of microwave signal from microstrip to waveguide. Microstrip transition and air cavities are used to improve the matching, and medium ring is used to seal the waveguide. This transition is featured with low loss, wide band, small and sealed. The designed converter has insertion loss less than 0.3 dB，and standing wave at port is less than 1.4 in the frequency range of 30～40 GHz．

millimeter wave, microstrip waveguide transition, sealing,miniaturzation

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.018

2016-03-08

兵器預(yù)研支撐基金資助項(xiàng)目(62201070140)

張生春(1984-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槔走_(dá)收發(fā)組件。E-mail：260991259@qq.com

張國(guó)強(qiáng)(1983-)，男，碩士研究生，研究方向?yàn)槲⒉娐纺K。E-mail：151470297@qq.com

TN957

A

2095-6533(2016)04-0092-04