基于基片集成波導(dǎo)的Ku波段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

陳 偉，王海彬，文瑞虎，王中洋，李紅英

（機(jī)電動態(tài)控制重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是一種重要的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，在微波領(lǐng)域有著十分廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶結(jié)構(gòu)有波導(dǎo)／脊波導(dǎo)／微帶過度、波導(dǎo)／對鰭線／微帶過度、波導(dǎo)／微帶探針過度三種類型［1］。傳統(tǒng)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)都是二端口器件，其中一端連接微帶，另一端與波導(dǎo)相連。針對傳統(tǒng)的波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶結(jié)構(gòu)復(fù)雜，加工難度大，破壞波導(dǎo)中場結(jié)構(gòu)的問題，本文提出了基于基片集成波導(dǎo)的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

1 傳統(tǒng)波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)與基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

1.1 傳統(tǒng)的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)的波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶結(jié)構(gòu)有三種：波導(dǎo)／脊波導(dǎo)／微帶過度、波導(dǎo)／對鰭線／微帶過度、波導(dǎo)／微帶探針過度［1］，都是二端口的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。

波導(dǎo)／脊波導(dǎo)／微帶過度是通過在波導(dǎo)腔體中加金屬脊，形成漸變的場強(qiáng)結(jié)構(gòu)，使波導(dǎo)輸入的信號通過逐級耦合到微帶上［2－3］。波導(dǎo)／脊波導(dǎo)／微帶過度與波導(dǎo)傳輸方向一致，可以很方便地加入到電路中。波導(dǎo)／對鰭線／微帶過度通過在波導(dǎo)中設(shè)計鰭線實現(xiàn)波導(dǎo)到微帶的過度。原理與脊波導(dǎo)轉(zhuǎn)換類似，只是脊波導(dǎo)中轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)加工成金屬脊，而對鰭線中加工成鰭線。波導(dǎo)／微帶探針過度是在波導(dǎo)壁上開縫，將微帶過度結(jié)構(gòu)當(dāng)作探針插入到波導(dǎo)腔體中，實現(xiàn)波導(dǎo)到微帶的過度。一般有兩種方式：一種是微帶面與信號傳播方向平行，一種是與傳播方向垂直［4］。

波導(dǎo)／脊波導(dǎo)／微帶過度和波導(dǎo)／對鰭線／微帶過度波導(dǎo)和微帶傳播方向一致，這對器件連接很方便。但波導(dǎo)／脊波導(dǎo)／微帶過度加工復(fù)雜，而波導(dǎo)／對鰭線／微帶過度尺寸較大，損耗較大，在空間比較緊湊的地方很少使用［4］。波導(dǎo)／微帶探針過度較前兩種簡單，但微帶探針通過開槽插入波導(dǎo)之內(nèi)，會在一定程度上破壞波導(dǎo)的場的特性［2］。

1.2 基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)

基片集成波導(dǎo)（SI W）結(jié)構(gòu)最早于1992年由一位日本學(xué)者提出，隨后在1997年有相關(guān)的文章報道這種結(jié)構(gòu)，稱為柵格波導(dǎo)［3］。基片集成波導(dǎo)是一類新型的傳輸線結(jié)構(gòu)?；刹▽?dǎo)具有與傳統(tǒng)矩形波導(dǎo)相近的特性，如品質(zhì)因素高、損耗低等，同時較傳統(tǒng)的波導(dǎo)更為緊湊，具有體積小、重量輕、易加工、易集成的優(yōu)點［5－6］。

基片集成波導(dǎo)的結(jié)構(gòu)如圖1所示：兩排金屬化通孔的中心間距為a，金屬化通孔的直徑和間距分別為d和p，介質(zhì)基片的厚度和介電常數(shù)分別為h和ξr。電磁波在介質(zhì)基片的上下金屬面和兩排金屬化通孔所圍成的矩形區(qū)域內(nèi)以類似于介質(zhì)填充矩形波導(dǎo)中的場模式傳輸，如圖2所示。

圖1 基片集成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)Fig.1 The str ucture of SI W

2 基片集成波導(dǎo)場分布圖Fig.2 Filed overlay of SI W

2 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖3所示。波導(dǎo)中的信號經(jīng)過基片集成波導(dǎo)下表面的耦合口將信號耦合到基片集成波導(dǎo)中，之后通過上表面的微帶漸變阻抗匹配段，匹配到50Ω微帶線輸出，實現(xiàn)波導(dǎo)到微帶的轉(zhuǎn)換。

圖3 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)Fig.3 The conversion str uct ure of SI W

基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上下表面如圖4和圖5，其中的陰影部分是金屬。整個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上表面由基片集成波導(dǎo)、微帶匹配結(jié)構(gòu)和50Ω微帶輸出三部分。其中微帶匹配采用了鍥型的結(jié)構(gòu)將基片集成波導(dǎo)與微帶輸出相匹配。

圖4 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上表面結(jié)構(gòu)Fig.4 The positive conversion str ucture of SI W

圖5 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)下表面結(jié)構(gòu)Fig.5 The negative conversion str ucture of SI W

轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的下邊面的耦合口與波導(dǎo)相連，中間是一個輻射貼片。由于波導(dǎo)與基片集成波導(dǎo)電場傳播方向是相互垂直的，故需經(jīng)過輻射貼片的作用，將波導(dǎo)中的信號耦合到基片集成波導(dǎo)中，實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。整個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是左右對稱的，因此在微帶的兩個輸出端獲得的信號是原波導(dǎo)中信號的一半。此轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)兼有功分的作用，是三端口器件。

3 仿真及實測結(jié)果

3.1 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的仿真

本文設(shè)計了Ku波段波導(dǎo)－微帶線轉(zhuǎn)換器，利用全波仿真軟件HFSS對圖4和5中的結(jié)構(gòu)參數(shù)進(jìn)行了仿真優(yōu)化。

介質(zhì)板采用Rogers5880，介電常數(shù)為2.2，厚度為1 mm。波導(dǎo)采用BJ-140標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，整個轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的中心頻率為12.3 GHz。HFSS仿真模型圖如圖6，仿真結(jié)果由圖7和圖8給出。

由圖7的S參數(shù)仿真結(jié)果可知 ，在11.5～12.5 GHz的頻帶內(nèi)該系統(tǒng)的反射參數(shù)S11都低于－10 d B，在12.3處S11達(dá)到最優(yōu)為－28 d B。傳輸參數(shù)S21小于－4 d B。由于微帶口輸出是原波導(dǎo)信號的一半，故S21理論上為－3 d B。S21與S31重合，說明兩個輸出口信號相等。且由圖中可見差損優(yōu)于0.5 d B。由圖8中系統(tǒng)電壓反射參數(shù)（VSWR）可以看出，在11.5～12.5 GHz的頻帶內(nèi)都低于2，滿足實際要求。

圖6 轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)HFSS仿真模型Fig.6 The conversion structure HFSS si mulation model

圖7 S參數(shù)仿真結(jié)果Fig.7 S-parameter simulation results

圖8 VSWR仿真結(jié)果Fig.8 VSWR si mulation results

3.2 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實物測試

本文根據(jù)仿真的參數(shù)制作了基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的實物并對其進(jìn)行了測試如圖9。圖9的上部分為實物的正面和反面，下部分為實物測試的結(jié)構(gòu)。其中基片集成波導(dǎo)直接粘在BJ-140直波導(dǎo)的法蘭盤上。轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)上表面焊接SMA接頭，測試中一端先接50Ω匹配負(fù)載，另一端輸出，其下表面連接了BJ-140的直波導(dǎo)，之后再接Ku波段波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換接頭。

經(jīng)過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試，結(jié)果如圖10、圖11和圖12。

由圖10和11中的S參數(shù)可以看以看出，在11～12.5 GHz的頻段內(nèi)S11＜－10 d B（圖10中參考點為－10 d B），在對應(yīng)的頻帶內(nèi)S21≥－5 d B（圖11中參考點為－5 d B），其中最小是－4 d B。電壓反射參數(shù)（VSWR）11～12.5 GHz的頻段內(nèi)也小于2（圖12中參考點為2）。故仿真與測試結(jié)果基本一致，符合基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求。

圖9 基片集成波導(dǎo)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實物Fig.9 The concrete conversion structure

圖10 反射參數(shù)S11實測結(jié)果Fig.10 The concrete reflecting parameter results

圖11 傳輸參數(shù)S21實測結(jié)果Fig.11 The concrete conversing parameter results

圖12 VSWR實測結(jié)果Fig.12 The concrete VSWR results

4 結(jié)論

本文提出了基于基片集成波導(dǎo)Ku波段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)利用耦合縫隙和貼片輻射技術(shù)，使通過背面饋入的波導(dǎo)信號經(jīng)耦合進(jìn)入基片集成波導(dǎo)，再通過微帶輸出。與傳統(tǒng)的二端口轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)不同，本文所設(shè)計的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)是三端口的。實驗表明，這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)利用基片集成波導(dǎo)作為微波傳輸結(jié)構(gòu)，工作于Ku波段，具有1 GHz工作帶寬。該轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在較寬的工作頻段內(nèi)差損優(yōu)于0.5 d B，回波損耗大于20 d B，并且與微帶平面電路匹配良好，可以集成加工到平面電路中去，具有結(jié)構(gòu)緊湊、性能優(yōu)良和易于加工等優(yōu)點，可以應(yīng)用于微波集成電路的設(shè)計中。

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