W波段波導(dǎo)到微帶探針過渡設(shè)計(jì)

秦楚昂 電子科技大學(xué)物理學(xué)院 四川成都 610054

1 研究背景

微帶線和波導(dǎo)都是高頻電磁場的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)上的差異使它們有不同的特性：波導(dǎo)損耗小，但是體積大，立體結(jié)構(gòu)難以加工；微帶線是平面結(jié)構(gòu)便于集成，設(shè)計(jì)和加工更靈活但是傳輸損耗大。在毫米波系統(tǒng)中，為了減小電路面積往往會(huì)使用微帶線來設(shè)計(jì)功能性電路，為了減小傳輸損耗則利用波導(dǎo)來輸入和輸出。波導(dǎo)到微帶過渡結(jié)構(gòu)的性能會(huì)在很大程度上會(huì)影響整個(gè)系統(tǒng)的性能。因此，在毫米波電路中良好的過渡設(shè)計(jì)是十分重要的。

2 設(shè)計(jì)目標(biāo)

設(shè)計(jì)一個(gè)W波段波導(dǎo)到微帶的E面探針過渡結(jié)構(gòu)，工作頻率范圍為90-100GHz，插入損耗小于1dB，回波損耗優(yōu)于-15dB。

3 設(shè)計(jì)過程

3.1 理論分析

微帶線到矩形波導(dǎo)的過渡問題實(shí)際上是波型變換和阻抗匹配問題。矩形波導(dǎo)中工作主模是TE10模，微帶線中的主模是TEM模，雖然兩者的工作模式不同，但作為傳輸線，它們的電壓和電流的定義是相容的，因此可以把復(fù)雜的場匹配問題簡化為傳輸線的匹配問題。

圖1波導(dǎo)到微帶的E面探針過渡及其等效傳輸線模型

圖1左是E面探針過渡結(jié)構(gòu)，圖1右是過渡結(jié)構(gòu)的傳輸線模型。探針頂端開路，電場最強(qiáng)，與波導(dǎo)場的耦合方式主要是電耦合，因此可以簡化為串聯(lián)電容C。Zm為微帶線特性阻抗，一般為 50Ω，Zw為波導(dǎo)特性阻抗，一般比較高而且隨工作頻率變化。距離探針左側(cè) l有金屬波導(dǎo)壁，相當(dāng)于短路面。根據(jù)傳輸線理論，l距離的短路面在探針處的等效阻抗值為

當(dāng)lβ小于四分之一波長時(shí)，短路面在探針處可以看成一個(gè)和矩形波導(dǎo)并聯(lián)的電感 L，且 l越大，L越大。

3.2 HFSS建模

波導(dǎo)的尺寸采用W波段WR-10標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)（2.54mm×1.27mm），介質(zhì)基板選用相對(duì)介電常數(shù)2.2的Rogers 5880材料，厚度為0.127mm。在HFSS中建立矩形波導(dǎo)到微帶的E面探針過渡模型，如圖2所示。

圖2 波導(dǎo)到微帶的E面探針過渡結(jié)構(gòu)的HFSS模型

4 設(shè)計(jì)結(jié)果

仿真結(jié)果如圖3所示，在90-100GHz的工作范圍內(nèi)，S11優(yōu)于20dB，S21小于0.3dB，完全滿足設(shè)計(jì)要求。優(yōu)化后的模型關(guān)鍵參數(shù)為：l=0.6mm，探針長度0.6mm，探針寬度0.28mm，探針基板寬度0.5mm。

圖3 優(yōu)化后的探針過渡結(jié)構(gòu)的仿真S11和S22參數(shù)曲線

5 總結(jié)

本文設(shè)計(jì)改進(jìn)了傳統(tǒng)的探針過渡設(shè)計(jì)，取消了阻抗匹配段的高阻抗線，通過減小波導(dǎo)短路面到探針的距離來抵消探針的容性影響，在90-100GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的匹配。高阻抗線段的取消不僅簡化設(shè)計(jì)，還可以縮小結(jié)構(gòu)尺寸，降低加工難度，使過渡性能更加穩(wěn)定。