H面波導(dǎo)到微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)＊

蘭云鵬 吳景峰 王抗旱

（河北半導(dǎo)體研究所 石家莊 050051）

1 引言

波導(dǎo)由于其損耗小，功率容量大，Q值高等優(yōu)點(diǎn)［1］，在毫米波測(cè)試和傳輸系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，而在毫米波電路中，波導(dǎo)的立體結(jié)構(gòu)不便于集成，所以必須先過(guò)渡到平面?zhèn)鬏斁€中。微帶線作為最主要的平面?zhèn)鬏斁€，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、加工方便、易集成［2］等優(yōu)點(diǎn)。因此波導(dǎo)與微帶線之間的低插損過(guò)渡成為重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題。

波導(dǎo)－微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)多樣，常見(jiàn)的過(guò)渡結(jié)構(gòu)有：耦合探針過(guò)渡［3］、脊波導(dǎo)過(guò)渡［4］、對(duì)脊鰭線過(guò)渡［5］等。其中耦合探針過(guò)渡分為：電場(chǎng)耦合和磁場(chǎng)耦合。電場(chǎng)耦合采用的是在波導(dǎo)寬邊插入E面探針的結(jié)構(gòu)方式［6～7］。磁場(chǎng)耦合過(guò)渡目前國(guó)內(nèi)少見(jiàn)報(bào)道，電子科技大學(xué)徐軍教授等人在2010年提出了一種磁耦合的波導(dǎo)－微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)［8］，該結(jié)構(gòu)先利用偏心同軸線將微帶中傳播的準(zhǔn)TEM模轉(zhuǎn)化為TEM模，然后通過(guò)末端接地的半圓環(huán)金屬條帶在波導(dǎo)中激起TE10模，完成從微帶到波導(dǎo)的過(guò)渡。本文在此提出另一種H面磁耦合波導(dǎo)－微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)。

2 結(jié)構(gòu)

過(guò)渡結(jié)構(gòu)如圖1所示，探針從波導(dǎo)窄邊開(kāi)口處伸入波導(dǎo)體內(nèi)，探針的接地點(diǎn)位于波導(dǎo)寬邊中心，與印制在微帶基板上的接地框相連。短路面位于探針上方。約束腔接于波導(dǎo)窄邊開(kāi)口處，截面尺寸與開(kāi)口一致。

圖1 波導(dǎo)－微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)

在此過(guò)渡結(jié)構(gòu)中，為了減小插損和回波損耗，在微帶與探針之間設(shè)計(jì)一節(jié)高阻線進(jìn)行阻抗匹配。

3 原理分析

如圖1中，探針與接地框形成電流環(huán)路，當(dāng)有高頻的電流經(jīng)過(guò)時(shí)，交變電流在環(huán)路中產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，交變磁場(chǎng)在波導(dǎo)中產(chǎn)生交變電場(chǎng)，從而激起電磁波［9］。波導(dǎo)中激勵(lì)起的電場(chǎng)和磁場(chǎng)分別滿足麥克斯韋方程［10］：

假設(shè)波導(dǎo)內(nèi)部探針表面電流密度J，波導(dǎo)腔中將激勵(lì)起沿＋z和－z方向傳播的TEmn波和TMmn波，總場(chǎng)E和H分別表示為

其中⊥表示橫向分量，z表示縱向分量。

由于BJ320標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)是按照單模設(shè)計(jì)，因此導(dǎo)中傳播的只有主模TE10，其它高次模在波導(dǎo)中均截止。

對(duì)于TE10波，只存在沿z方向的磁場(chǎng)，z方向的電場(chǎng)為零，即Eiz＝0。因此沿＋z方向傳播的TE10波的電磁場(chǎng)分部可以表示為

其中，kc為截止波數(shù)，與導(dǎo)行系統(tǒng)的截面形狀、尺寸等物理特征相關(guān)。沿－z方向傳播的TE10波只需把kzi換為－kzi即可。

由沿＋z方向傳播的模式i振幅A＋i表示為

S為＋z方向傳播的電磁波通過(guò)的截面積，同理將上式中A和E的上標(biāo)“＋”改為“－”、“－”改為“＋”即可得出沿－z方向傳播的電磁波振幅A－i。將式（5）～式（12）代入式（3）、式（4）中即得到激勵(lì)起的電磁場(chǎng)E和H。

4 仿真及優(yōu)化

本設(shè)計(jì)采用Ansoft公司的HFSS三維電磁仿真軟件建模，并且對(duì)影響過(guò)渡性能的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

圖2 HFSS仿真模型

模型采用BJ320標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，微帶線基板Rogers 5880，介電常數(shù)2.2，厚度0.254mm，導(dǎo)體銅厚度17μm。模型如圖2所示，在HFSS軟件中，波導(dǎo)表面為理想界面，微帶線空氣腔部分設(shè)置為輻射面，以避免發(fā)生振蕩影響仿真結(jié)果；約束腔的長(zhǎng)度在尺寸允許的情況下足夠長(zhǎng)，使產(chǎn)生的高次模盡量衰減。

波導(dǎo)開(kāi)口位置和大小、約束腔長(zhǎng)度、短路面高度等受結(jié)構(gòu)限制，因此首先要確定這三個(gè)參量。根據(jù)指標(biāo)要求和參數(shù)掃描結(jié)果確定為：開(kāi)孔大小2.6mm×0.83mm，短路面高度2.86mm，約束腔長(zhǎng)度3.18mm。

圖3 仿真結(jié)果

仿真結(jié)果如圖3所示，整個(gè)Ka頻段內(nèi)，回波損耗S11＜－12dB，插損S21≥－0.3dB，其中30～38GHz范圍內(nèi)S11≤－20dB。從上結(jié)果看，30GHz以下和38GHz以上回波損耗不甚理想，還需要進(jìn)一步優(yōu)化并展寬頻帶。

為展寬帶寬，有兩種方法可供選折：一是將探針偏離中心位置，二是在探針側(cè)面設(shè)計(jì)一諧振片，如圖4所示。本設(shè)計(jì)選用第二種方法，經(jīng)優(yōu)化諧振片位置和大小、探針插入深度、探針寬度等參數(shù)得到如圖5所示結(jié)果，在整個(gè)Ka頻段內(nèi)，插損S21≥－0.3dB，回波損耗S11≤－20dB，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 增加諧振片模型

圖5 增加諧振片仿真結(jié)果

5 測(cè)試結(jié)果及分析

為了驗(yàn)證上述仿真結(jié)果，制作一對(duì)背靠背實(shí)物，如圖6所示，測(cè)試架采用普通鋁質(zhì)，表面拋光白色導(dǎo)電氧化。

測(cè)試架由盒體、方形壓框、短路面三部分組成。盒體正面為一腔體，用于安裝電路基板，背面為標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)接口。壓框?qū)㈦娐坊骞潭ㄔ谇惑w波導(dǎo)口處，壓框內(nèi)方形孔與波導(dǎo)尺寸一致，側(cè)壁開(kāi)口大小2.6mm×0.83mm，側(cè)壁厚度3.18mm，壓框與基板接觸部分即圖1中的接地框。短路面扣在壓框上，短路面與基板距離即前面確定的2.86mm，最后用螺釘將壓框和短路面固定于盒體上。

圖6 波導(dǎo)－微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實(shí)物

圖7 測(cè)試框圖

圖8 測(cè)試結(jié)果

測(cè)試使用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Aglient E8363B，測(cè)試框圖如圖7所示，為了測(cè)試方便添加兩個(gè)波導(dǎo)－同軸轉(zhuǎn)換。測(cè)試結(jié)果如圖8所示：Ka波段高端測(cè)試結(jié)果不理想，這是因?yàn)槭芗庸ぞ认拗?，波?dǎo)內(nèi)壁平整度不夠，從而引起較大損耗；在26GHz～37GHz范圍內(nèi)，插損小于2.0dB，回波損耗大于7dB，其中30GHz～36GHz頻段內(nèi)插損小于1.7dB，回波損耗大于16dB，如果扣除兩個(gè)波導(dǎo)－同軸轉(zhuǎn)換帶來(lái)的附加誤差0.2dB，這得到在帶寬為6GHz的窄帶內(nèi)插損小于1.5dB，回波損耗大于16dB。

對(duì)比圖5和圖8，實(shí)物測(cè)試插損和駐波均比仿真結(jié)果差，造成這種差別的原因除了波導(dǎo)腔體表面并非理想導(dǎo)電面外，還有盒體加工精度、裝配誤差等因素。

6 結(jié)語(yǔ)

本文提出了一種新的H面磁耦合波導(dǎo)到微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)從波導(dǎo)短邊垂直插入耦合探針，加工樣件測(cè)試在30GHz～36GHz頻率范圍內(nèi)插損小于1.5dB，回波損耗大于16dB。該結(jié)構(gòu)具有節(jié)省電路面積，插損小，頻帶寬，易實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，為微波毫米波電路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)提供了一種可選方案。

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