多層PCB 板集成式的微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)設(shè)計(jì)

韓玉朝 孔令甲 李德才

（中國電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

隨著微波毫米波技術(shù)在無線通訊、安檢成像以及雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用的逐漸增多, 低成本、高可靠性的微波毫米波單片集成電路（MMIC） 的使用也日趨廣泛，而電磁波往往需要在不同形式、材料的介質(zhì)中傳播，因此波的轉(zhuǎn)換過渡顯得尤為重要。矩形波導(dǎo)因其損耗小、性能優(yōu)的特點(diǎn)，在毫米波技術(shù)中的應(yīng)用十分普遍，微帶線則是毫米波集成電路中非常重要的傳輸形式，所以微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)在毫米波領(lǐng)域是一種非常重要的過渡結(jié)構(gòu)，廣泛的應(yīng)用于毫米波產(chǎn)品的輸入、輸出端口，其性能直接影響整個毫米波器件性能的優(yōu)劣，在毫米波器件設(shè)計(jì)過程中必須著重考慮。這就要求在使用集成芯片的微波系統(tǒng)中尋找一種低損耗、低成本、易加工制作的微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)需要在不同的特性阻抗之間完成阻抗變換，使電磁波能夠有效、可靠的傳輸。

關(guān)于微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的研究已經(jīng)廣泛存在，目前工程上主要應(yīng)用的微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)有三種：階梯加脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)、對極鰭線過渡結(jié)構(gòu)和耦合探針過渡結(jié)構(gòu)，其中階梯加脊波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，加工成本貴且精度要求較高；耦合探針過渡結(jié)構(gòu)是采用陶瓷或石英等介質(zhì)作為E 面探針耦合波導(dǎo)腔內(nèi)的微波信號，再通過鍵合、焊接等方式進(jìn)行信號傳輸，這種結(jié)構(gòu)比較簡單，價格相對低廉，故在目前工程中的使用較為普遍，但在毫米波頻段應(yīng)用時存在其固有的劣勢，在工藝裝配操作上相對復(fù)雜，定位精度要求較高，工藝控制難度大，且集成度低，裝配一致性差，甚至?xí)?dǎo)致毫米波信號傳輸不正常。

1 微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)

本文提出了一種基于多層混壓板的微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。以5mil 的微波射頻板作為射頻傳輸介質(zhì)、環(huán)氧樹脂板作為直流控制信號的載體進(jìn)行混壓。多層PCB 集成式的微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)如圖1 所示：微帶探針電路圖形集成在微波射頻板的頂層金屬上，波導(dǎo)結(jié)構(gòu)通過多層PCB 板通孔加PCB機(jī)械鉆孔形成空氣波導(dǎo)，以機(jī)加工盒體具有一定深度的腔體面作為波導(dǎo)反射面。微波信號通過射頻板的頂層微帶線輸入，經(jīng)過集成式探針結(jié)構(gòu)、PCB 非金屬化盲槽到金屬反射面時進(jìn)行發(fā)射，垂直向上進(jìn)入矩形波導(dǎo)，實(shí)現(xiàn)微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)傳輸。該結(jié)構(gòu)集成度高，介質(zhì)板有足夠的硬度，工藝操作簡單且一致性好、可生產(chǎn)性強(qiáng)。整個傳輸過程微波信號共地連續(xù)，性能優(yōu)異，具有非常廣闊的工程應(yīng)用前景。

圖1： 微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)示意圖

2 原理與仿真

耦合探針過渡結(jié)構(gòu)包括同軸探針過渡和微帶探針過渡，波導(dǎo)微帶探針過渡是由波導(dǎo)同軸探針演變而來，波導(dǎo)微帶探針結(jié)構(gòu)包括兩種：H 面耦合探針和E 面耦合探針。H 面耦合探針是指微帶探針的平面法向方向同矩形波導(dǎo)內(nèi)微波信號的傳輸方向平行，E 面耦合探針是指微帶探針的平面法向方向同矩形波導(dǎo)內(nèi)微波信號的傳輸方向垂直，二者相比，E 面耦合探針比H 面耦合探針切斷波導(dǎo)壁的電流少，泄漏小，所以性能相對較好，本文采用的是E 面耦合探針轉(zhuǎn)波導(dǎo)。

微帶線中電磁場的傳播主模式為準(zhǔn)TEM 模，其電場與磁場表達(dá)式如下所示：

波導(dǎo)中電磁場傳輸?shù)闹髂門E模，其電場與磁場的表達(dá)式如下所示：

根據(jù)上述理論分析，微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵在于通過微帶探針形成的激勵模式，使在矩形波導(dǎo)的截面建立的電場，與需要激勵的TE模的電場分布一致，且電場幅度盡量大。通過計(jì)算微帶探針在矩形波導(dǎo)中的輸入阻抗，并加入一段匹配微帶線，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與50Ω 微帶線的阻抗匹配。矩形波導(dǎo)在TE模下，微帶探針的輸入阻抗為：

其中a、b 為矩形波導(dǎo)的長邊和短邊的長度，η 為空氣波阻抗，k 為傳播常數(shù)，β為矩形波導(dǎo)TE模式的相移常數(shù)，d 為探針的長度，L 為短路面的距離。由上式可知，矩形波導(dǎo)在TE模下，微帶探針的輸入阻抗是由短路面的距離L和探針長度d 決定的，通過調(diào)節(jié)L 和d 的值，可使微帶探針的阻抗和微帶線阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)信號的高效傳輸。微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)簡化模型如圖2 所示。

圖2： 微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)簡化模型

Ka 波段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)的內(nèi)截面尺寸為：a×b=7.112mm×3.556mm。在微波理論中，矩形波導(dǎo)可等效為均勻傳輸線，傳輸線上的波是由入射波和反射波疊加，反射波的大小取決于傳輸線終端連接的負(fù)載，負(fù)載不同，波的分布也不同，傳輸狀態(tài)亦不同。經(jīng)分析，當(dāng)終端短路時，離終端λ/4 處波會全反射，入射波電壓和反射波電壓疊加到最大，此時獲得的能量最大，損耗最小。因此，探針宜從波導(dǎo)的寬口中心處探入，且耦合縫隙的高度選擇適中。根據(jù)分析，其余參數(shù)當(dāng)微帶探針寬度W=0.63mm，探針長度d=1.6mm，反射面距離L=2.08mm，其中PCB 盲槽深度為0.9mm，波導(dǎo)反射腔深度為0.88mm 時，整個傳輸結(jié)構(gòu)在27GHz ～38GHz 頻帶內(nèi)，端口回波損耗優(yōu)于-20dB，插入損耗優(yōu)于-0.2dB，實(shí)現(xiàn)了毫米波信號的優(yōu)良傳輸。根據(jù)上述具體參數(shù)分析，建模如圖3所示，圖3(a)為模型正面，圖3(b)為模型背面：

圖3： 仿真模型正反面

在上述仿真的基礎(chǔ)上對微帶探針的長度和寬度、探針探入波導(dǎo)腔的位置以及反射面距離進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，得到目標(biāo)頻帶（27GHz ～38GHz）內(nèi)指標(biāo)良好的最終模型，仿真結(jié)果如圖4 所示，回波損耗優(yōu)于-20dB，插入損耗優(yōu)于0.3dB。

圖4： 回波損耗&插入損耗的仿真結(jié)果

3 實(shí)際產(chǎn)品設(shè)計(jì)與測試

為了進(jìn)一步驗(yàn)證仿真結(jié)論，按照上述分析的設(shè)計(jì)思路與仿真結(jié)果，將微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)用于一款十六通道毫米波接收組件，組件的通道間距為9.6mm。實(shí)際加工的多層PCB 板正、反面結(jié)構(gòu)如圖5(a)、5(b)所示、金屬反射腔體結(jié)構(gòu)如圖5c 所示。

圖5： 實(shí)際加工的多層PCB 正反面與金屬反射腔體

多層PCB 板用螺釘固定到金屬反射腔體上，用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對組裝好的接收組件進(jìn)行端口回波測試，測得的結(jié)果如圖6 所示，可看出在目標(biāo)頻帶（27GHz ～38GHz）內(nèi)，整體結(jié)構(gòu)的回波損耗優(yōu)于-16dB，實(shí)際測試結(jié)果比仿真結(jié)果稍差，但可以滿足工程化的應(yīng)用。由于接收組件的集成化，無法直接測試微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的插入損耗，但是可以根據(jù)接收組件整體的損耗，結(jié)合仿真模型進(jìn)行大致估算，微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的插入損耗小于0.4dB。

圖6： 回波損耗實(shí)測值

對于實(shí)際測試的回波損耗比仿真值稍差，原因可能是：在工程實(shí)際加工中，PCB 盲槽深度、波導(dǎo)反射腔的深度存在一定的加工誤差?；诖?，在高倍測量顯微鏡下，測量PCB 盲槽及波導(dǎo)反射腔的深度，得到PCB 非金屬化盲槽的深度為0.81mm，金屬波導(dǎo)反射腔的深度為0.85mm，而仿真模型的設(shè)置值分別為0.9mm、0.88mm，可看出實(shí)際加工存在一定的誤差，但基本在誤差范圍之內(nèi)。將深度的實(shí)際測量值帶入到仿真模型，結(jié)合實(shí)際工程上的加工誤差，分析多層PCB 盲槽深度的誤差較大，金屬波導(dǎo)反射腔的誤差較小，因此取PCB 盲槽深度的范圍（0.8 ～0.9）mm，波導(dǎo)反射腔深度的范圍（0.85 ～0.9）mm，步進(jìn)均取0.02mm進(jìn)行仿真擬合，其中最差的結(jié)果如圖7 所示：在目標(biāo)頻帶（27GHz ～38GHz）內(nèi)的回波損耗比之前的仿真結(jié)果略微變差，但依然優(yōu)于-18dB，而且同實(shí)際測試曲線基本吻合。

圖7： 回波損耗擬合仿真結(jié)果

4 結(jié)論

介紹了一種多層混壓板集成式微帶轉(zhuǎn)波導(dǎo)的設(shè)計(jì)方法，對其工作原理及仿真思路做了詳細(xì)分析，在Ka 波段覆蓋27GHz ～38GHz 頻帶內(nèi)實(shí)現(xiàn)了毫米波信號的優(yōu)良傳輸，并加工了實(shí)際結(jié)構(gòu)，將其用于毫米波接收組件產(chǎn)品進(jìn)行測試，實(shí)際回波損耗優(yōu)于-15dB。對工程應(yīng)用中實(shí)際加工可能存在的誤差做了相對分析并進(jìn)行仿真擬合，得到良好的結(jié)果。該結(jié)構(gòu)具有寬頻帶、低損耗的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)相對簡單，加工一致性好，在微波毫米波領(lǐng)域具有非常廣闊的應(yīng)用前景。