EHF波段波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)研究

李 碩

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

隨著衛(wèi)星通信技術(shù)發(fā)展，頻譜資源的緊張，EHF頻段將會(huì)是下一代通信衛(wèi)星的優(yōu)選頻段［1］。目前，美國(guó)的MILSTAR軍事通信衛(wèi)星使用EHF頻段(44/20 GHz)，上行鏈路使用43.5～45.5 GHz，2 GHz帶寬。

在毫米波電路和系統(tǒng)中矩形波導(dǎo)為常用傳輸線。隨著毫米波技術(shù)的發(fā)展，毫米波混合集成電路與單片集成電路廣泛應(yīng)用，微帶線作為連接 MMIC的傳輸線，成為重要的傳輸媒介。因而研制結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插入插損低的波導(dǎo)－微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)是工程中重要的問(wèn)題［2］。

常用的波導(dǎo)與微帶轉(zhuǎn)換有矩形波導(dǎo)－脊波導(dǎo)－微帶過(guò)渡［3］、矩形波導(dǎo) －對(duì)脊鰭線 －微帶線過(guò)渡［4］、波導(dǎo)－同軸探針 －微帶過(guò)渡［5］和波導(dǎo) －微帶探針過(guò)渡［6，7］等。其中，矩形波導(dǎo)－脊波導(dǎo) －微帶過(guò)渡加工復(fù)雜，損耗大;矩形波導(dǎo)－對(duì)脊鰭線－微帶線過(guò)渡易于產(chǎn)生諧振模式，可能產(chǎn)生耦合影響器件性能;波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡由于具有插入損耗低、可用頻帶寬、機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小和可靠性高等特性而被廣泛采用［8］。

本文設(shè)計(jì)了兩種波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)，通過(guò)電磁軟件仿真優(yōu)化，實(shí)際加工測(cè)試，在38～50 GHz頻帶寬度內(nèi)，實(shí)現(xiàn)了插入損耗小于1 dB，回波損耗大于20 dB的性能指標(biāo)，具有毫米波電路工程實(shí)用價(jià)值。

1 過(guò)渡結(jié)構(gòu)原理分析

波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡是從波導(dǎo)－同軸探針發(fā)展而來(lái)，即在矩形波導(dǎo)的寬邊上進(jìn)行開(kāi)縫，在縫隙中插入一段微帶線即微帶探針以起到耦合作用，從而將矩形波導(dǎo)中的所有電場(chǎng)能量全部耦合到微帶探針上，完成過(guò)渡作用。當(dāng)從矩形波導(dǎo)過(guò)渡到微帶時(shí)，微帶探針就相當(dāng)于接收的微帶天線，將矩形波導(dǎo)中的電場(chǎng)能量接收到微帶線上;而當(dāng)從微帶過(guò)渡到矩形波導(dǎo)時(shí)，微帶探針相當(dāng)于發(fā)射的微帶天線，將微帶中的電場(chǎng)能量發(fā)射傳輸?shù)骄匦尾▽?dǎo)中。

當(dāng)從矩形波導(dǎo)過(guò)渡到微帶時(shí)，沿微帶探針?lè)较?，矩形波?dǎo)具有非零的電場(chǎng)模式，比如TE模式在微帶探針上激勵(lì)出電流，從而激勵(lì)起電磁場(chǎng)，將矩形波導(dǎo)內(nèi)的電場(chǎng)能量傳輸?shù)轿Ь€上;同理，當(dāng)從微帶過(guò)渡到矩形波導(dǎo)時(shí)，微帶線上的準(zhǔn)TEM模在矩形波導(dǎo)激勵(lì)起電流，從而激勵(lì)起相應(yīng)的電場(chǎng)模式。

波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡有兩種常用的形式:一種是微帶平面的法向與矩形波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播方向平行，稱(chēng)之為H面過(guò)渡結(jié)構(gòu)［9］，另一種是微帶平面的法向與波導(dǎo)內(nèi)電磁波的傳播方向垂直，稱(chēng)之為E 面過(guò)渡結(jié)構(gòu)［10］，如圖1所示。

圖1 波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)

由電磁場(chǎng)的理論可知:任意一個(gè)沿微帶探針?lè)较虻木哂蟹橇汶妶?chǎng)的模式能在微帶探針的表面激勵(lì)起電流，從而產(chǎn)生準(zhǔn)TEM模;根據(jù)互易定理，當(dāng)微帶探針上準(zhǔn)TEM模也能在波導(dǎo)產(chǎn)生電流，同樣激勵(lì)起微帶探針?lè)较虻姆橇汶妶?chǎng)模式。為了和矩形波導(dǎo)的主模TE10耦合最緊，根據(jù)矩形波導(dǎo)與微帶模式電場(chǎng)的場(chǎng)分布特點(diǎn)，微帶探針從矩形波導(dǎo)寬邊的中心插入，相當(dāng)于放置于矩形波導(dǎo)電場(chǎng)強(qiáng)度的最大處。由于微帶探針的末端電流為零，可以假設(shè)其電流是均勻按正弦駐波分布，那么微帶探針上的電流是無(wú)限細(xì)的線電流形式，可以表示為:

式中，d為微帶探針插入到矩形波導(dǎo)內(nèi)的長(zhǎng)度(0≤y≤d)，可以由此求出微帶探針的底部的輸入電阻為:

式中，ps為輻射到波導(dǎo)的功率值;wm－we為高次模激勵(lì)的存在于探針周?chē)鶅?chǔ)無(wú)功能量的凈時(shí)間平均值。用已求得的ps可得微帶探針的輻射電阻為:

同理，可得TE10模對(duì)總的輸入電抗為:

式中，Z0=;β10為傳播常數(shù)。

從上式可看出:Rin，Xin隨參數(shù)l(短路活塞的距離)和d(微帶探針插入波導(dǎo)內(nèi)的長(zhǎng)度)的變化而變化，通過(guò)調(diào)整Rin使其等于微帶線的特性阻抗，并調(diào)整Xin以抵消波導(dǎo)激勵(lì)高次模的電抗，這樣使微帶探針在波導(dǎo)內(nèi)處于電場(chǎng)最大值位置，因?yàn)樾枰▽?dǎo)內(nèi)形成駐波，那么波節(jié)間距離為λ/2，所以波導(dǎo)終端短路活塞的距離取λ/4，可以達(dá)到最高的能量耦合效率，使其微帶探針與波導(dǎo)之間的傳輸功率達(dá)到最大值。在微帶探針設(shè)計(jì)中，微帶探針的輸入阻抗是微帶探針的寬度、長(zhǎng)度、波導(dǎo)終端短路活塞的距離以及頻率的函數(shù)，由于微帶探針具有容性的電抗，一般會(huì)用一段高感抗的微帶線抵消其電容效應(yīng)，這樣做犧牲頻帶寬度來(lái)實(shí)現(xiàn)低插入損耗，再利用1/4阻抗變換器實(shí)現(xiàn)與50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線的阻抗匹配。矩形波導(dǎo)通過(guò)一個(gè)過(guò)渡腔與后面的電路腔體相連，該過(guò)渡腔的尺寸需要合理設(shè)計(jì)，既要將電磁場(chǎng)能量約束在微帶線上，并抑制其高次模的傳輸，同時(shí)擁有足夠的腔高，以免影響微帶線的準(zhǔn)TEM模式的場(chǎng)結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)－微帶過(guò)渡的性能好壞主要還是取決于插入波導(dǎo)內(nèi)的微帶探針的尺寸大小、與波導(dǎo)終端短路活塞的距離、阻抗變換微帶線的尺寸以及過(guò)渡腔的尺寸，這幾個(gè)參數(shù)是波導(dǎo)－微帶過(guò)渡設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。

2 過(guò)渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及仿真

工作頻段42～46 GHz，轉(zhuǎn)換插入損耗小于0.5 dB，回波損耗大于15 dB，包括E面波導(dǎo)微帶過(guò)渡和H面波導(dǎo)微帶過(guò)渡。

2.1 波導(dǎo)、介質(zhì)基板及基本參數(shù)選擇

介質(zhì)基片既是微波電磁場(chǎng)傳輸媒介，又是電路支撐體，所以選擇合適的介質(zhì)基片對(duì)波導(dǎo)－微帶過(guò)渡的性能有較大的影響。一般對(duì)介質(zhì)基片要求是具有損耗角正切小、表面的光滑度高、硬度強(qiáng)度高以及韌性好等特點(diǎn)。根據(jù)以上原則，選擇采用0.254 mm厚、介電常數(shù)為2.2的Rogers 5880的介質(zhì)基片。

50 Ω的標(biāo)準(zhǔn)微帶線，金屬層厚度約為0.018 mm，根據(jù)介質(zhì)基片的介電常數(shù)和厚度，可以計(jì)算得到中心頻率44 GHz處的標(biāo)準(zhǔn)微帶線寬為0.777 mm。采用 EHF頻段標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo) BJ400(WR22):寬邊為5.69 mm，窄邊為2.845 mm。

截止波長(zhǎng)則由λc=2a可得λc=11.38 mm。再根據(jù)波導(dǎo)波長(zhǎng)公式:

可得，EHF波段中心頻率44 GHz處的波導(dǎo)波長(zhǎng)為8.52 mm，所對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)就是2.13 mm，也就是微帶探針到波導(dǎo)終端短路活塞的距離的理論值。

2.2 模型仿真及優(yōu)化

在基于有限元方法的電磁場(chǎng)仿真軟件平臺(tái)Ansoft HFSS中對(duì)兩種過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模，根據(jù)2.1節(jié)得到的基本參數(shù)，將模型中的幾何參數(shù)設(shè)定初值之后，再進(jìn)行電磁仿真與優(yōu)化。

經(jīng)過(guò)初步仿真，發(fā)現(xiàn)高阻抗線與標(biāo)準(zhǔn)50 Ω阻抗線之間可以不需要四分之一阻抗變換器，也能得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的仿真結(jié)果。因此在傳統(tǒng)的探針形式上改變，最終在微帶探針與標(biāo)準(zhǔn)50 Ω阻抗線之間只有高阻抗線完成寬帶的阻抗匹配，實(shí)現(xiàn)低插入損耗的變換，并且簡(jiǎn)化了微帶電路設(shè)計(jì)。

考慮工程實(shí)際中存在機(jī)械加工、裝配的誤差和印制電路的誤差，尤其在這么高頻率的毫米波頻段，這些誤差對(duì)轉(zhuǎn)換器的電性能影響大，特別是帶寬的偏移。因此，在仿真中將波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡的工作帶寬從42～46 GHz拓展為38～50 GHz，保證了誤差帶來(lái)的頻帶偏移不影響工程應(yīng)用的頻帶。

實(shí)際測(cè)試中不可能對(duì)單個(gè)波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡進(jìn)行測(cè)試，必須采用測(cè)試背靠背過(guò)渡模型的插入損耗來(lái)算單個(gè)過(guò)渡的插入損耗。在仿真設(shè)計(jì)中，先針對(duì)單個(gè)波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡進(jìn)行仿真，等優(yōu)化好之后，需要再對(duì)波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡的背靠背模型進(jìn)行仿真，以求最終的實(shí)測(cè)結(jié)果來(lái)驗(yàn)證電路設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

通過(guò)HFSS優(yōu)化后，最后得出了模型結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)和對(duì)應(yīng)的尺寸如表1和表2所示。wf為50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線寬度，wp為微帶探針的寬度，lp為微帶探針的長(zhǎng)度，wt為高阻抗線的寬度，lt為高阻抗線的長(zhǎng)度，d為探針中心到矩形波導(dǎo)短路面的距離，wq為屏蔽腔的寬度，hq為屏蔽腔的高度。

根據(jù)表1和表2中的參數(shù)建立的過(guò)渡模型、仿真結(jié)果，以及E面波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)和H面波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)分別如圖2和圖3所示。

表1 E面微帶探針過(guò)渡模型參數(shù)

圖2 E面波導(dǎo)－微帶過(guò)渡背靠背模型及仿真結(jié)果

表2 H面微帶探針過(guò)渡模型參數(shù)

圖3 H面波導(dǎo)微帶過(guò)渡背靠背模型及仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果看出，E面過(guò)渡與H面過(guò)渡的背靠背模型，在38～50 GHz頻帶內(nèi)，回波損耗均大于21 dB，插入損耗均小于0.3 dB，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，可以加工制作。

在仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中總結(jié)了幾點(diǎn)，可以指導(dǎo)以后的波導(dǎo)微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì):①波導(dǎo)短路活塞的距離、微帶探針的長(zhǎng)度影響波導(dǎo)微帶過(guò)渡的中心頻率，微帶探針的寬度影響波導(dǎo)－微帶過(guò)渡的帶寬，可以根據(jù)仿真結(jié)果來(lái)進(jìn)行手動(dòng)的有效調(diào)整以上尺寸，從而得到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)的電路;②高阻抗線的尺寸影響標(biāo)準(zhǔn)微帶線與微帶探針的阻抗匹配，在電路設(shè)計(jì)中需要優(yōu)化的重點(diǎn)參數(shù);③電路屏蔽腔的大小決定波導(dǎo)－微帶過(guò)渡在工作頻帶的諧振;④選取波導(dǎo)短路活塞的距離，其經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)該選取的值是小于2.2節(jié)計(jì)算的理論值，且大于中心頻率自由空間波長(zhǎng)的1/4。

3 實(shí)物加工及測(cè)試

根據(jù)電磁模型仿真優(yōu)化后的結(jié)果，對(duì)2種波導(dǎo)－微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了實(shí)物加工。采用波導(dǎo)－微帶－波導(dǎo)結(jié)構(gòu)進(jìn)行測(cè)試EHF波段波導(dǎo)－微帶過(guò)渡的性能，那么波導(dǎo)微帶探針過(guò)渡的插入損耗約為測(cè)試結(jié)果的一半。所加工的實(shí)物如圖4所示，實(shí)測(cè)結(jié)果如圖5所示。從測(cè)試結(jié)果看出，兩種波導(dǎo)－微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)在38～50 GHz頻帶內(nèi)，背靠背的插入損耗小于1 dB，回波損耗大于20 dB。背靠背的插入損耗包含了中間一段約10 mm的微帶傳輸線的損耗，在扣去該損耗后，在38～50 GHz頻率范圍內(nèi)，波導(dǎo)微帶過(guò)渡的插入損耗約為0.3 dB，滿(mǎn)足研制要求。

兩實(shí)測(cè)結(jié)果比較，H面波導(dǎo)微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)的插入損耗較E面波導(dǎo)微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)的大了約0.15 dB，這并不是過(guò)渡結(jié)構(gòu)的理論性能差異，而是H面的背靠背結(jié)構(gòu)比E面背靠背結(jié)構(gòu)中的50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線長(zhǎng)了約10 mm，所以其測(cè)試結(jié)果要差一些。

圖4 波導(dǎo)微帶探針實(shí)物

將實(shí)測(cè)結(jié)果與仿真結(jié)果比較可以看出，插入損耗S21比仿真結(jié)果增大了，且S11的頻帶有所偏移，造成的原因主要是由于電路、腔體的加工及裝配的誤差和電路基片人工切割、粘接時(shí)的誤差所致。但是實(shí)測(cè)結(jié)果能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)使用要求，這兩種波導(dǎo)－微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)可以根據(jù)實(shí)際情況，有選擇地在工程上使用。

圖5 實(shí)物測(cè)試結(jié)果曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

研制了兩種中心頻率為44 GHz、帶寬為12 GHz的波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡結(jié)構(gòu)，通過(guò)HFSS高頻三維電磁場(chǎng)仿真軟件對(duì)波導(dǎo)－微帶探針過(guò)渡進(jìn)行了仿真和優(yōu)化，獲得了較好的結(jié)果。最終經(jīng)過(guò)實(shí)物的加工和測(cè)試，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性，滿(mǎn)足工程應(yīng)用要求。從仿真和實(shí)測(cè)結(jié)果分析，兩種波導(dǎo)－微帶過(guò)渡結(jié)構(gòu)均具有低插損、小體積和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)，可在毫米波混合集成電路如變頻組件［11］、功率合成放大器［12，13］等得到廣泛的應(yīng)用，對(duì)于提高微波毫米波系統(tǒng)的性能有很大的幫助。 ■

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