一種采用集成波導(dǎo)過渡的同軸轉(zhuǎn)帶狀線結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

湯曉東，周彪，孔令甲

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

0 引 言

同軸轉(zhuǎn)帶狀線結(jié)構(gòu)在微波領(lǐng)域是一種非常重的過渡結(jié)構(gòu)，廣泛地應(yīng)用于微波器件的饋入、饋出端口，其性能的優(yōu)劣直接影響整個(gè)微波器件性能的優(yōu)劣，是微波器件設(shè)計(jì)過程中必須著重設(shè)計(jì)的一項(xiàng)內(nèi)容。

常規(guī)的直接接觸式同軸轉(zhuǎn)帶狀線結(jié)構(gòu)在毫米波頻段應(yīng)用時(shí)存在其固有的劣勢，當(dāng)印制板為多層板厚度較厚時(shí)，射頻接頭同軸端與微帶線端的地回路比較長，無法實(shí)現(xiàn)良好的接地效果，微波信號(hào)傳輸至轉(zhuǎn)換端口時(shí)會(huì)出現(xiàn)非嚴(yán)重的輻射效應(yīng)，從而導(dǎo)致較大的傳輸損耗，甚至?xí)剐盘?hào)產(chǎn)生諧振，導(dǎo)致信號(hào)失真，無法正常傳輸。

為解決上述問題，本文擬采用波導(dǎo)-同軸這種無接觸式的耦合變換結(jié)構(gòu)。關(guān)于波導(dǎo)同軸變換結(jié)構(gòu)的研究早已廣泛存在。王潔等介紹了一種小型化氣密的波導(dǎo)-同軸轉(zhuǎn)換器，提出了單探針激勵(lì)的模型，并詳細(xì)分析了其等效電路模型；王兆輝等研制了一款從波導(dǎo)窄邊饋電的波導(dǎo)-同軸變換工程，從場的角度分析了變換過程中波導(dǎo)中TE模為主模的電磁波與同軸傳輸中以TEM 模為主模的電磁波之間的耦合效應(yīng)。

本文另辟蹊徑采用集成波導(dǎo)作為過渡媒介，通過同軸-波導(dǎo)以及波導(dǎo)-同軸的兩次耦合變換來實(shí)現(xiàn)同軸至帶狀線的過渡。首先在同軸端微波信號(hào)饋入后，以E 面探針耦合的方式將微波信號(hào)耦合到集成波導(dǎo)中，實(shí)現(xiàn)第一次由同軸至集成波導(dǎo)的傳輸轉(zhuǎn)換；微波信號(hào)在介質(zhì)波導(dǎo)中傳輸一定距離后再次使用E 面探針耦合的方式將微波信號(hào)耦合至帶狀線上，從而實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)無接觸式的耦合過渡。整個(gè)傳輸過程微波信號(hào)接地連續(xù)，電磁屏蔽效果良好，微波性能優(yōu)異，具有廣闊的工程化應(yīng)用前景。

1 原理分析

本次設(shè)計(jì)中通過同軸-波導(dǎo)及波導(dǎo)-同軸的兩次轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)微波的傳輸，下面對同軸-波導(dǎo)的變換過程中電磁場的耦合路徑進(jìn)行分析。

同軸端電磁場的傳播主模為TEM 模，其電場與磁場表達(dá)式如下所示：

集成波導(dǎo)中其傳輸?shù)闹髂門E模，其中環(huán)繞封閉形成回路的為磁場線，垂直于集成波導(dǎo)長邊的為電場線，其電場與磁場的表達(dá)式如下：

基于上述的理論分析，對本設(shè)計(jì)中的兩次同軸-波導(dǎo)變化進(jìn)行更具體的原理建模，一級(jí)同軸-波導(dǎo)的過渡可以具體為下面的物理模型，其傳播方向電場與截面方向分布如圖1所示。

圖1 集成波導(dǎo)傳播與截面方向電場分布圖

通過麥克斯韋方程分析可知，波導(dǎo)的寬邊尺寸A、窄邊尺寸B、插入深度H、插入位置距離短路面的距離L 決定了集成波導(dǎo)中插入探針的端口阻抗，若想實(shí)現(xiàn)良好的微波過渡，需使探針上的特征阻抗與波導(dǎo)內(nèi)傳輸?shù)奶卣髯杩瓜嗥ヅ?，?jīng)計(jì)算當(dāng)A=4.8 mm、B=0.47 mm、H=0.75 mm、L=1.65 mm時(shí)可以在目標(biāo)頻段內(nèi)使得同軸端與集成波導(dǎo)端特征阻抗相匹配，實(shí)現(xiàn)良好的微波過渡傳輸。

二級(jí)波導(dǎo)-同軸過渡時(shí)以微帶線作為E 面探針，當(dāng)微波信號(hào)在波導(dǎo)口傳入后，會(huì)在與波導(dǎo)壁相連的內(nèi)導(dǎo)體上發(fā)生磁耦合，進(jìn)而在內(nèi)導(dǎo)體上激勵(lì)出電流，電流方向由沿著內(nèi)導(dǎo)體縱向分布，從而實(shí)現(xiàn)能量的過渡。經(jīng)分析，微帶探針的尺寸以及過渡結(jié)構(gòu)的阻抗對兩端特征阻抗的匹配具有關(guān)鍵的作用。

2 仿真設(shè)計(jì)

經(jīng)過上述的詳細(xì)分析，現(xiàn)將本文中的原理模型分成第一級(jí)同軸-波導(dǎo)和第二級(jí)波導(dǎo)-帶狀線兩部分來建模仿真，分析如下。

2.1 一級(jí)同軸-波導(dǎo)

在第一次同軸-波導(dǎo)變換時(shí)對探針阻抗有較大影響的是波導(dǎo)的寬邊尺寸A、窄邊尺寸B、探針插入深度H、探針距離反射腔的距離L 等四個(gè)因素，在HFSS 中建立其物理模型，以多層印制板為傳輸載板，以SMA 連接器插入的絕緣子為饋入端口，以絕緣子下端露出的金屬導(dǎo)體為探針，在多層印制板上開盲孔作為探針的插裝孔，以上述描述的模型建立仿真模型，如圖2所示，其仿真結(jié)果如圖3所示。通過仿真可以看到當(dāng)A、B、H 與L 在變化時(shí)探針阻抗跟隨其變化的情況，選取合適值作為本模型的最優(yōu)解。本文最終選取A 的值為4.8 mm，B 的值為0.474 mm，H 的值為0.8 mm，L 的值為1.775 mm，此時(shí)一級(jí)同軸-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)可以很好地實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)在目標(biāo)頻帶（27 GHz ～30 GHz）帶內(nèi)的過渡傳輸，端口回波損耗帶內(nèi)可達(dá)-20 dB，插入損耗帶內(nèi)為0.3 dB，并且實(shí)現(xiàn)了過渡界面連續(xù)離地，微波信號(hào)輻射能量極低，電磁屏蔽效果良好。

圖2 一級(jí)同軸-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)仿真模型

圖3 一級(jí)同軸-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2.2 二級(jí)波導(dǎo)-同軸

二級(jí)波導(dǎo)-同軸結(jié)構(gòu)如圖4所示，在印制板中間設(shè)置帶狀線探針，通過地孔實(shí)現(xiàn)探針連接到波導(dǎo)側(cè)壁。當(dāng)微波信號(hào)在波導(dǎo)端激勵(lì)時(shí)，在探針界面會(huì)發(fā)生磁耦合，波導(dǎo)中傳輸?shù)腡E10 模的電磁波的能量會(huì)耦合到帶狀線中，以TEM 模的形式繼續(xù)傳輸，轉(zhuǎn)換前后的微波信號(hào)磁場方向一致。

為了實(shí)現(xiàn)良好的二級(jí)波導(dǎo)-同軸微波過渡匹配，提升過渡結(jié)構(gòu)的工作帶寬，采用多階漸變的過渡匹配結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)良好的波導(dǎo)-同軸的阻抗匹配，階數(shù)越多，理論上可以實(shí)現(xiàn)的工作頻帶就越寬。通過使用仿真軟件多次仿真優(yōu)化最終設(shè)計(jì)為圖4中的匹配過渡結(jié)構(gòu)，此時(shí)二級(jí)同軸-波導(dǎo)結(jié)構(gòu)同樣可以很好地實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)在目標(biāo)頻帶（27 GHz ～30 GHz）帶內(nèi)的過渡傳輸，端口回波損耗帶內(nèi)可達(dá)-20 dB，插入損耗帶內(nèi)為0.4 dB，實(shí)現(xiàn)了介質(zhì)波導(dǎo)中的電磁信號(hào)向最終目標(biāo)帶狀線的傳輸過渡，傳輸效果良好。其仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4 二級(jí)波導(dǎo)-同軸結(jié)構(gòu)仿真模型圖

圖5 二級(jí)波導(dǎo)-同軸結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

2.3 整體結(jié)構(gòu)

將上述兩種過渡結(jié)構(gòu)結(jié)合起來，最終實(shí)現(xiàn)本文的目標(biāo)以集成波導(dǎo)為過渡媒介使得毫米波信號(hào)實(shí)現(xiàn)由絕緣子同軸傳輸轉(zhuǎn)換為帶狀線傳輸，兩次轉(zhuǎn)換過程均實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)傳輸阻抗的良好匹配，整個(gè)傳輸過程損耗??；并且該結(jié)構(gòu)集成度高，便于微波模塊的集成應(yīng)用與信號(hào)的后續(xù)處理；同時(shí)轉(zhuǎn)換過程均保證了良好的接地接觸，微波屏蔽效果良好，抗電磁干擾能力強(qiáng)。綜合考慮器件的可測試性，將上述整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為對背結(jié)構(gòu)，便于后續(xù)的集成測試。其整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖6所示。

圖6 對背結(jié)構(gòu)仿真模型

在上面整體仿真的基礎(chǔ)上對個(gè)別參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，最終得到目標(biāo)頻帶（27 GHz ～30 GHz）內(nèi)指標(biāo)良好的模型，整個(gè)傳輸結(jié)構(gòu)插入損耗為1.6 dB，端口回波損耗可達(dá)-20 dB，指標(biāo)非常理想，滿足實(shí)用的需求，對背結(jié)構(gòu)綜合仿真結(jié)果如圖7所示。

圖7 對背結(jié)構(gòu)仿真結(jié)果

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)與測試

按照上面的設(shè)計(jì)思路，將模型拆分成三部分進(jìn)行加工，（1）為絕緣子插入塊，其結(jié)構(gòu)如圖8（a）所示，其上安裝2.92-K 型射頻連接器，用于實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)的同軸饋入，其下焊接同軸絕緣子，作為第一級(jí)同軸-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換時(shí)的探針，同軸絕緣子的探針端插入微波印制板上的互連孔中；（2）為微波印制板，其結(jié)構(gòu)如圖8（b）所示，其主要功能為承接同軸絕緣子饋入的信號(hào)，并以集成波導(dǎo)作為傳輸媒介將微波信號(hào)進(jìn)一步傳輸下去，同時(shí)在其Mid1 層設(shè)置探針轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)二次波導(dǎo)-同軸的轉(zhuǎn)換；（3）為襯底，其結(jié)構(gòu)如圖8（c）所示，其主要起結(jié)構(gòu)支撐的作用，保證微波印制板的平整性，避免因微波板形變引入測試誤差。

圖8 產(chǎn)品實(shí)物圖

將上述部分結(jié)構(gòu)件進(jìn)行組裝并用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對其進(jìn)行測試，測得插入損耗2.3 dB 左右，結(jié)合仿真去除中間傳輸帶線損耗，單個(gè)過渡口轉(zhuǎn)換損耗為0.5 dB，目標(biāo)頻帶內(nèi)（27 GHz ～30 GHz）回波損耗優(yōu)于-15 dB，測試曲線與仿真曲線高度擬合。其測試結(jié)果如圖9所示。

圖9 產(chǎn)品實(shí)物測試曲線

4 結(jié) 論

介紹了一種采用集成波導(dǎo)過渡的同軸轉(zhuǎn)帶狀線結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，對其工作原理與仿真設(shè)計(jì)進(jìn)行了詳細(xì)的說明，并加工了實(shí)際產(chǎn)品進(jìn)行了測試，最終測試結(jié)果與仿真設(shè)計(jì)高度擬合，在目標(biāo)頻帶（27 GHz ～30 GHz）內(nèi)實(shí)現(xiàn)了微波信號(hào)的全屏蔽低損傳輸，回波損耗優(yōu)于-15 dB，單端口傳輸損耗僅為0.5 dB。這種過渡結(jié)構(gòu)在毫米波領(lǐng)域擁有廣闊的應(yīng)用前景。