一種新型毫米波差分線和基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

陳會(huì)永，王曉鵬，孫澤月，王 健，陳 林，姚武生,2

（1.博微太赫茲信息科技有限公司太未來(lái)實(shí)驗(yàn)室，合肥 230088；

2.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所，合肥 230088）

1 引言

近年來(lái)，毫米波技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，包括5G移動(dòng)通信技術(shù)[1]、人體安檢[2]、醫(yī)療成像[3]、毫米波雷達(dá)探測(cè)[4]、軍用毫米波戰(zhàn)略通信等多個(gè)領(lǐng)域，在民用和軍用領(lǐng)域都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。

差分線是一對(duì)信號(hào)幅值相同、相位相反、存在耦合的對(duì)稱傳輸線，由于其具有高穩(wěn)定性、可降低電路間耦合、增加系統(tǒng)抗干擾能力的特點(diǎn)，在工程中常被作為一種毫米波段傳輸線。但是常用射頻輸出無(wú)源器件的接口與差分線不匹配，需要進(jìn)行轉(zhuǎn)換[5-7]，雖然這些轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)性能良好，但是都無(wú)法在平面上進(jìn)行轉(zhuǎn)換，不適用于集成系統(tǒng)。而基片集成波導(dǎo)（Substrate Integrated Waveguide,SIW）是一種利用金屬化通孔陣列實(shí)現(xiàn)的導(dǎo)波結(jié)構(gòu)，其低損耗介質(zhì)上下底面為金屬層，可以利用PCB工藝精確實(shí)現(xiàn)，具有低插入損耗、高Q值、易集成等優(yōu)點(diǎn)，目前廣泛應(yīng)用于微波毫米波系統(tǒng)[8-10]。由于差分線轉(zhuǎn)SIW結(jié)構(gòu)可完全實(shí)現(xiàn)PCB的集成，但是目前在PCB內(nèi)實(shí)現(xiàn)差分線與SIW之間轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)較少，文獻(xiàn)[11]提出了一種設(shè)計(jì)方案，差分線與SIW結(jié)構(gòu)在平面內(nèi)垂直轉(zhuǎn)換，通過(guò)差分線在SIW傳輸方向的間距，來(lái)實(shí)現(xiàn)180°相位轉(zhuǎn)化，工作帶寬寬，但是由于這種結(jié)構(gòu)差分線與SIW傳輸方向垂直，所占空間位置大，且該結(jié)構(gòu)必須為多層板設(shè)計(jì)，增大了加工難度和成本。

在實(shí)際工程應(yīng)用中，射頻前端系統(tǒng)會(huì)經(jīng)常存在差分線的輸入端與射頻前端的輸出端呈一定夾角的情況，這在一定程度上會(huì)造成共模噪聲惡化、插入損耗變大、器件體積增大等情況，增大了相應(yīng)匹配結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)難度。本文提出一種差分線與基片集成波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，所占空間小，且為雙層板設(shè)計(jì)，易實(shí)現(xiàn)、加工成本低、集成度高。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本文提出的新型毫米波差分線和SIW結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)如圖1所示，介質(zhì)板為Rogers 4350B，相對(duì)介電常數(shù)為3.66，厚度為0.254 mm。從電場(chǎng)傳輸?shù)姆较騺?lái)看，先由差分線過(guò)渡到SIWTE20模式，再轉(zhuǎn)為SIWTE10模式，其中TE10模式、TE20模式的SIW為本結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵。

圖1 新型毫米波差分線和SIW結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換設(shè)計(jì)

SIW是類波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，只傳輸TEn0（n=1，2，3，...）模，其中SIW的主模是TE10模。TE10模和TE20模的截止頻率fc(TE10)和fc(TE20)分別為[12]：

其中，d是金屬通孔直徑，b是相鄰兩個(gè)金屬化通孔之間的間距，c0表示空氣中的光速，εr表示相對(duì)介電常數(shù)，W表示SIW的寬度。由式（1）（2）可知，SIW寬度決定了TE10模和TE20模的截止頻率。

由式（1）（2）計(jì)算得到TE10模式和TE20模式的SIW寬度。TE20模轉(zhuǎn)為TE10模SIW結(jié)構(gòu)，SIW寬度減小，TE10模SIW結(jié)構(gòu)尺寸除了要確保工作范圍內(nèi)低頻電場(chǎng)可以通過(guò)，還要抑制TE20模的傳輸。

確定好SIW的尺寸之后，與電場(chǎng)傳輸方向夾角為45°方向的差分線如何有效地過(guò)渡到SIW，也是本文設(shè)計(jì)的難點(diǎn)所在。圖1中的差分線漸變分開(kāi)，且保持一定夾角，轉(zhuǎn)換到TE20模式的SIW，該處轉(zhuǎn)彎結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)有效且巧妙地實(shí)現(xiàn)了差分線45°的電場(chǎng)傳輸方向初步轉(zhuǎn)換到垂直傳輸方向。其中，為匹配SIW阻抗，差分線過(guò)渡漸變結(jié)構(gòu)寬度由0.28 mm增加到0.35 mm，且在漸變處進(jìn)行倒角處理，以減小電流的不連續(xù)分布。

TE20模轉(zhuǎn)TE10模SIW結(jié)構(gòu)通過(guò)3處相移金屬通孔，不僅能實(shí)現(xiàn)SIW由TE20模轉(zhuǎn)為主模TE10，還將45°的場(chǎng)傳輸方向完全轉(zhuǎn)為垂直傳輸方向，相移金屬通孔數(shù)量、位置分布對(duì)相位移動(dòng)起決定性作用。

2.2 性能分析

本文設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)建模分析結(jié)果如圖2所示，在69～81 GHz內(nèi)，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的回波損耗高于13.4 dB，插入損耗在1.4 dB以內(nèi)。

圖2 毫米波差分線轉(zhuǎn)SIW結(jié)構(gòu)的反射系數(shù)S11和插入損耗S21

為驗(yàn)證SIW結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳輸?shù)碾妶?chǎng)特性，對(duì)差分線端口以相等幅度、180°相位差進(jìn)行饋電，70 GHz處的電場(chǎng)幅度和矢量分布如圖3所示。為實(shí)現(xiàn)將45°方向的差分傳輸線輸入、SIW垂直輸出，TE20模SIW有一定的變形設(shè)計(jì)，其內(nèi)部TE20模式電場(chǎng)傳輸見(jiàn)圖中虛線處，TE20模SIW兩側(cè)電場(chǎng)強(qiáng)度相等、方向相反，符合TE20模式電場(chǎng)傳輸特征。

圖3 70 GHz處SIW結(jié)構(gòu)內(nèi)部傳輸?shù)碾妶?chǎng)特性

SIW結(jié)構(gòu)TE20模轉(zhuǎn)TE10模的過(guò)程中，會(huì)產(chǎn)生共模噪聲。圖1中位于SIW中間一排的金屬通孔對(duì)共模噪聲起到抑制作用，主要通過(guò)金屬通孔的數(shù)量、位置分布來(lái)提高共模抑制比。本文的設(shè)計(jì)是將差分信號(hào)轉(zhuǎn)換為SIW的TE10模式，設(shè)差分信號(hào)饋入端口為端口1，SIWTE10模式輸出端口為端口2，而共模的存在會(huì)導(dǎo)致共模也傳輸?shù)蕉丝?，結(jié)構(gòu)參數(shù)不僅對(duì)差模產(chǎn)生影響，也對(duì)共模產(chǎn)生影響，為從根本上減小共模信號(hào)對(duì)差模信號(hào)的干擾，本文以共模到端口2的傳輸系數(shù)Sc21與差模到端口2的傳輸系數(shù)Sd21之差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，Sc21-Sd21越低，共模抑制效果越好。

以其中一個(gè)共模抑制金屬通孔為例，其位置如圖1所示，對(duì)金屬通孔的直徑、位置進(jìn)行分析。圖4（a）為金屬通孔直徑對(duì)共模噪聲的影響，隨著通孔直徑的增大，Sc21-Sd21在低頻、高頻處均會(huì)增大，也即低頻、高頻處共模抑制效果變差，工作帶寬減小?？紤]到金屬通孔直徑的最小加工尺寸，該處采用的是直徑為0.2 mm的金屬通孔。共模抑制金屬通孔與電場(chǎng)傳輸方向垂直、水平位置的變化對(duì)共模噪聲的影響如圖4（b）（c）所示，金屬通孔的位置對(duì)共模噪聲的抑制有重要影響。從圖4（b）可以看出，通孔與本列第一個(gè)通孔之間間距dy1=2.25 mm時(shí)，Sc21-Sd21在69.0～78.5 GHz頻段內(nèi)都保持最低，高頻處有一定的上升，但是仍可正常工作，因此最佳垂直方向間距為2.25 mm；從圖4（c）可以看出，通孔與中間通孔之間水平間距dx1為0.06 mm和0.12 mm時(shí)，Sc21-Sd21在整個(gè)工作頻段內(nèi)較低，但由于在水平位置偏離過(guò)多，會(huì)在一定程度上惡化結(jié)構(gòu)駐波，因此最佳水平間距為0.06 mm。

圖4 金屬通孔對(duì)共模噪聲抑制的影響

3 仿真和測(cè)試

由于圖1所設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)為系統(tǒng)中的過(guò)渡件，無(wú)法進(jìn)行直接測(cè)試，因此需要設(shè)計(jì)測(cè)試工裝結(jié)構(gòu)，將圖1的差分線輸入、SIW輸出端口分別轉(zhuǎn)為波導(dǎo)輸入、波導(dǎo)輸出端口，以便對(duì)圖1的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能測(cè)試。含工裝測(cè)試結(jié)構(gòu)的總模型如圖5所示，從電場(chǎng)的傳輸方向來(lái)看，傳輸結(jié)構(gòu)依次為波導(dǎo)-差分線-SIW-波導(dǎo)，其中，涉及到的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)依次為波導(dǎo)轉(zhuǎn)差分線結(jié)構(gòu)、差分線轉(zhuǎn)SIW結(jié)構(gòu)、SIW轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。圖5（a）～（c）中虛擬分割線1為波導(dǎo)轉(zhuǎn)差分結(jié)構(gòu)與本文設(shè)計(jì)的差分線轉(zhuǎn)SIW結(jié)構(gòu)之間的分界線，虛擬分割線2為本文設(shè)計(jì)的差分線轉(zhuǎn)SIW結(jié)構(gòu)與SIW轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)之間的分界線。

圖5 含工裝測(cè)試結(jié)構(gòu)的總模型

結(jié)構(gòu)的變化包括金屬殼體內(nèi)腔體的尺寸改變及PCB刻蝕圖形的改變。

（1）金屬殼體內(nèi)腔體尺寸的改變，從圖5（a）中虛擬分割線1可以看到，金屬內(nèi)腔體從標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)改變?yōu)閷挾雀蟮目諝馇唬摽諝馇晃挥诮饘賹?dǎo)帶正上方，是為了給金屬導(dǎo)帶輻射預(yù)留一定自由空間，且腔體均做了倒角處理；虛擬分割線2處金屬腔體由于僅存在裝配PCB的卡槽，沒(méi)有發(fā)生變化；SIW轉(zhuǎn)波導(dǎo)中的波導(dǎo)與輸出波導(dǎo)尺寸保持一致，均為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)。

（2）PCB圖形的改變?nèi)鐖D5（b）所示，介質(zhì)基板頂層金屬由一對(duì)具有一定張角的金屬結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換為差分線，底層金屬由“楔形”結(jié)構(gòu)漸變?yōu)榻饘俚?，該處PCB圖形的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)中“TE波”到微帶線“TEM波”的轉(zhuǎn)換。圖5（c）中，介質(zhì)基板頂層、底層金屬刻蝕圖形呈中心對(duì)稱折線結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了SIW的“類波導(dǎo)”結(jié)構(gòu)到波導(dǎo)的轉(zhuǎn)換。

對(duì)圖5（a）結(jié)構(gòu)進(jìn)行加工，實(shí)物樣品如圖6（a）（b）所示，金屬下殼體內(nèi)留有卡槽，用于裝配PCB板，上下金屬殼體留有銷釘、螺紋孔，金屬殼體兩側(cè)分別設(shè)計(jì)有法蘭，以便進(jìn)行裝配和測(cè)試。

圖6 實(shí)物樣品

對(duì)圖5（a）中總仿真模型進(jìn)行仿真分析，針對(duì)測(cè)試工裝尺寸參數(shù)（波導(dǎo)轉(zhuǎn)差分線結(jié)構(gòu)、SIW轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)）進(jìn)行阻抗匹配優(yōu)化，并對(duì)實(shí)物樣品進(jìn)行測(cè)試，仿真和測(cè)試結(jié)果如圖7所示。在68～80 GHz內(nèi)，仿真回波損耗高于10 dB，仿真插入損耗在2.4 dB以內(nèi)，測(cè)試回波損耗高于10 dB，測(cè)試插入損耗低于3.39 dB。整個(gè)頻段內(nèi)，插損平坦度高，性能穩(wěn)定。在69.3～73.2 GHz以及75.9～76.8 GHz內(nèi)，回波損耗高于15 dB，插入損耗在2.9～3.1 dB之間。仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果的曲線走向趨勢(shì)基本一致，但是插損實(shí)際測(cè)試結(jié)果要高于插損仿真結(jié)果，插損惡化的原因主要有：（1）PCB圖形刻蝕及金屬過(guò)孔存在加工誤差、金屬殼體加工存在誤差；（2）存在裝配誤差，PCB與金屬殼體裝配時(shí)，存在配高、對(duì)齊誤差，且金屬過(guò)孔工藝造成PCB頂層及底層敷銅厚度增加，這導(dǎo)致上下殼體合蓋時(shí)會(huì)存在縫隙。在毫米波階段，波長(zhǎng)小、器件結(jié)構(gòu)尺寸很小，加工精度和裝配精度的不足都會(huì)導(dǎo)致測(cè)試結(jié)果的惡化。

圖7 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)（含測(cè)試工裝）的仿真與測(cè)試結(jié)果對(duì)比

表1為近幾年差分線與單端口轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)對(duì)比。文獻(xiàn)[5]為差分線轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，雖然其轉(zhuǎn)換插損低，但是很難適應(yīng)目前高集成度的微波毫米波系統(tǒng)，文獻(xiàn)[11]為多層板設(shè)計(jì)，加工難度大、成本高，文獻(xiàn)[13]中的巴倫設(shè)計(jì)，加工難度低、成本小，輸入端口垂直于輸出端口方向，會(huì)增大系統(tǒng)集成的體積。本文設(shè)計(jì)的共模抑制性能較好，共模抑制帶寬可覆蓋結(jié)構(gòu)的工作帶寬，且具有易集成、加工難度低、工作帶寬寬等優(yōu)點(diǎn)，適用于目前高度集成化的微波毫米波寬帶系統(tǒng)。

表1 差分線與單端口轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的性能對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種新型毫米波段差分線轉(zhuǎn)基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，并對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真分析以及加工驗(yàn)證。測(cè)試結(jié)果顯示，在68～80 GHz整個(gè)工作頻段范圍內(nèi)，輸入、輸出端口反射系數(shù)均低于-10 dB，插入損耗低于3.39 dB。此外，本文為工程中常見(jiàn)的差分線輸入端與射頻前端輸出端呈一定夾角的情況提供了一種新的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，該設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)緊湊、加工難度小、成本低，具有實(shí)現(xiàn)未來(lái)毫米波系統(tǒng)的高度集成化的潛力。