V波段微帶-波導(dǎo)過渡設(shè)計

張運傳,劉志紅

(華東電子工程研究所，安徽 合肥 230031)

0 引 言

隨著毫米波技術(shù)的日益發(fā)展，單片微波集成電路(MMIC)的使用越來越廣泛。在毫米波集成電路中，微帶線是一種十份重要的傳輸形式，各個單片器件的之間的連接主要使用微帶線。而在遠距離傳輸及毫米波測試系統(tǒng)中，具有插入損耗小、Q值高等特點的金屬波導(dǎo)被經(jīng)常使用。因此在毫米波電路和系統(tǒng)中迫切需要解決微帶線到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換問題[1]。

實現(xiàn)微帶到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換主要有探針過渡[2]、脊波導(dǎo)過渡[3]、對脊鰭線過渡等[4-5]。脊波導(dǎo)過渡加工相對復(fù)雜，而對脊鰭線過渡要產(chǎn)生一系列的諧振模式，如果諧振頻率落在其相連的微波電路工作頻率范圍內(nèi)，微波電路將不能正常工作。本文從應(yīng)用實際出發(fā)，對三種過渡結(jié)構(gòu)進行了比較，最終采用探針方式設(shè)計了一款微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)， 并進行了實物測試，測試結(jié)果滿足指標要求。

1 波導(dǎo)微帶探針原理分析

波導(dǎo)微帶探針是從波導(dǎo)同軸探針發(fā)展而來，微帶探針一般通過波導(dǎo)寬邊的孔插入波導(dǎo)腔內(nèi)，通過一段起耦合作用的微帶線把波導(dǎo)中的能量耦合到微帶中，該結(jié)構(gòu)具有損耗低、駐波小、帶寬較寬、加工方便、結(jié)構(gòu)緊湊等特點。微帶-波導(dǎo)探針一般有兩種形式：

E面探針，微帶探針平面和波導(dǎo)內(nèi)的電磁波傳輸方向平行；

H面探針，微帶探針平面和波導(dǎo)內(nèi)的電磁波傳輸方向垂直。

在矩形波導(dǎo)中離探針四分之一波長的短路面保證探針在波導(dǎo)內(nèi)處于最大電壓，也即電場最強位置。本文的設(shè)計采用波導(dǎo)E面探針。

圖1 波導(dǎo)E面耦合探針

2 波導(dǎo)微帶探針模型設(shè)計

圖2 波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)過渡仿真模型

本文設(shè)計的波導(dǎo)微帶探針主要用于77 GHz毫米波防撞雷達收發(fā)前端測試，設(shè)計頻率范圍為74～80 GHz。鑒于工程實際需要，介質(zhì)基片選用石英，此材料在高頻段性能優(yōu)良，具有平整度高、熱穩(wěn)定性好、膨脹系數(shù)小、介電常數(shù)低、絕緣性好等特征。選用的石英厚度為0.127 mm，介電常數(shù)為3.78。該過渡選用的是標準矩形波導(dǎo)WR10,波導(dǎo)內(nèi)截面大小為2.54 mm×1.27 mm。為了能夠?qū)^渡進行測試，設(shè)計了一個背靠背的波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，它是將兩個微帶-波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)背靠背連接在一起，這樣兩個輸出口都為波導(dǎo)，便于和毫米波儀表連接進行測試，而單個過渡結(jié)構(gòu)的損耗為背靠背結(jié)構(gòu)損耗的一半。圖2為設(shè)計的背靠背波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)仿真模型，探針所在的平面和電磁波傳輸方向平行，伸入波導(dǎo)內(nèi)的探針微帶底面被腐蝕，正面導(dǎo)帶由高低阻抗線組成，低阻抗線等效于電容，高阻抗線等效于電感，從而形成LC諧振回路，將波導(dǎo)中的能量耦合到微帶電路中[6]。波導(dǎo)窗開在寬邊中心，距離終端短路面λg/4，λg為波導(dǎo)波長，是導(dǎo)行系統(tǒng)中導(dǎo)模相鄰?fù)辔幻嬷g的距離。波導(dǎo)窗的寬度和高度要選擇適當，從而抑制波導(dǎo)高次模到微帶腔體的耦合。

圖3為經(jīng)優(yōu)化后的仿真結(jié)果，從圖中可以看出，端口的反射系數(shù)基本小于-30 dB，插入損耗小于0.15 dB,效果良好。

圖3 背靠背過渡仿真結(jié)果

3 波導(dǎo)微帶探針測試結(jié)果分析

按照仿真優(yōu)化的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)尺寸，實際加工制作了一個背靠背的波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)電路，實物如圖4所示。用是德公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀N5247A對轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進行了測試，測試結(jié)果如圖5所示。從圖5中可以看出，在74～80 GHz的頻率范圍內(nèi)插入損耗小于2.2 dB(單個波導(dǎo)微帶損耗小于1.1 dB),回波損耗小于-15 dB，能滿足實際測試需求。

圖4 背靠背過渡實物圖

圖5 背靠背過渡測試結(jié)果

對實際測試結(jié)果和仿真結(jié)果進行對比，可以看出兩者的指標曲線變化趨勢不是很一致。這主要是因為石英基板的粘貼精度和腔體的加工精度無法達到要求；同時在仿真優(yōu)化時沒有考慮石英的損耗角。

4 結(jié) 語

本文設(shè)計了一款V波段波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)，用商業(yè)高頻仿真軟件HFSS對過渡結(jié)構(gòu)進行了仿真優(yōu)化并對實物進行了測試，結(jié)果表明在74～80 GHz的頻率范圍內(nèi)，該過渡損耗小于2.2 dB(單個波導(dǎo)微帶損耗小于1.1 dB),駐波小于-15 dB，性能優(yōu)良，能滿足實際測試要求。