W波段波導(dǎo)—微帶對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計

單 偉 包 超 高志宇 鄭 曉 秦 越

(中國核動力研究設(shè)計院核反應(yīng)堆系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

在毫米波混合集成電路中，常采用微帶線作為毫米波集成電路之間的信號傳輸線。然而現(xiàn)有的毫米波測試儀器設(shè)備通常以標(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)作為毫米波信號的測試接口，除此之外，不同的毫米波電路器件之間的連接接口也常通過矩形波導(dǎo)實現(xiàn)級聯(lián)。因此需要一種過渡結(jié)構(gòu)有效地保證電磁波信號在兩種傳輸線之間低損耗的傳輸轉(zhuǎn)換。常見的矩形波導(dǎo)到微帶線的過渡結(jié)構(gòu)分為：微帶探針過渡[1，2]、階梯脊波導(dǎo)過渡和對脊鰭線過渡[3～4]。但在毫米波電路系統(tǒng)中，由于電路尺寸小，對加工工藝精度要求高等因素，因此，要求結(jié)構(gòu)緊湊且易于加工的過渡結(jié)構(gòu)。相比之下，對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)滿足上述要求。

本文基于一種對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計并仿真了一款W波段的矩形波導(dǎo)到微帶線的過渡結(jié)構(gòu)。最終的仿真結(jié)果表明，該過渡結(jié)構(gòu)在80～95 GHz的頻帶范圍內(nèi)回波損耗小于20 dB，插入損耗小于0.4 dB。

1 理論分析

矩形波導(dǎo)到微帶線的過渡實際上是阻抗匹配和波形變換問題。標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的工作主模是TE10模，而微帶線傳輸準(zhǔn)TEM模式的電磁波信號。雖然兩者的工作模式不同，但考慮到兩者的電壓和電流的定義是相容的，可以把復(fù)雜的場匹配問題簡化為傳輸線的匹配問題。根據(jù)工作頻段分析，本文選用矩形波導(dǎo)WR10（2.54 mm×1.27 mm）。微帶線的特性阻抗為50Ω[5]。

矩形波導(dǎo)到微帶線的對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)如圖1所示。介質(zhì)基片兩面的對脊金屬鰭呈漸變曲線，可實現(xiàn)將矩形波導(dǎo)的TE10模電場集中并逐漸旋轉(zhuǎn)90°，使得對脊鰭線交叉重疊部分傳輸準(zhǔn)TEM模[6]。此外，該過渡結(jié)構(gòu)通過漸變的對脊鰭線實現(xiàn)阻抗匹配的作用，將矩形波導(dǎo)的主模特性阻抗匹配至與微帶線50Ω的特性阻抗相近的阻抗值。

圖1 矩形波導(dǎo)—微帶對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)

2 電路設(shè)計與仿真

2.1 漸變鰭線設(shè)計

鰭線漸變的平滑曲線形式主要有：指數(shù)線型、拋物線型和余弦平方線型[7]，漸變曲線的頻率響應(yīng)曲線如圖2所示。考慮到余弦平方漸變曲線在毫米波波長尺寸的量級的上易加工，有利于提高電路的加工精度高，因此本文選該曲線形式過渡結(jié)構(gòu)。

余弦平方漸變曲線形式的對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)采用公式（1）進(jìn)行建模設(shè)計。

式中各電路尺寸參數(shù)見圖3所示注釋。

圖3 余弦平方漸變曲線對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)

2.2 仿真分析

本文設(shè)計的波導(dǎo)—微帶過渡結(jié)構(gòu)選用Rogers RT5880軟基片。在W波段的工作頻段下，介質(zhì)基片厚度為0.127 mm，相對介電常數(shù)為2.2，矩形波導(dǎo)為WR10，微帶線寬度0.38 mm。建立的仿真模型如圖4所示。

圖4 對脊鰭線過渡模型圖

通過仿真優(yōu)化，完成后的仿真結(jié)果如圖5所示。在80～95 GHz的工作范圍內(nèi)，S11小于-20 dB，S21大于-0.4 dB。仿真表明，該波導(dǎo)—微帶過渡結(jié)構(gòu)性能良好。

圖5 模型仿真曲線

3 結(jié)論

本文基于對脊鰭線過渡結(jié)構(gòu)，采用余弦平方漸變曲線的過渡形式，設(shè)計并仿真了一種W波段的矩形波導(dǎo)-微帶線的過渡結(jié)構(gòu)。該過渡結(jié)構(gòu)不僅具有平面電路的幾何結(jié)構(gòu)優(yōu)點，而且空間體積小、質(zhì)量輕，可廣泛應(yīng)用于毫米波平面?zhèn)鬏斁€組成的電路中。通過仿真結(jié)果表明：在W波段（80～95 GHz）的頻帶范圍內(nèi)，該過渡結(jié)構(gòu)的回波損耗小于20 dB，插入損耗小于0.4 dB，達(dá)到良好的設(shè)計指標(biāo)。