180 GHz懸置微帶線到波導(dǎo)過(guò)渡的設(shè)計(jì)

林元根，袁 辰，葉波濤

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

亞毫米波的波長(zhǎng)是1～0.1 mm的電磁波，頻率在毫米波與太赫茲之間[1-2]，所以在學(xué)術(shù)上具有非常重要的研究?jī)r(jià)值，比如在亞毫米波雷達(dá)與通訊中，天線容易實(shí)現(xiàn)高增益和窄波束，穿透等離子體的能力強(qiáng)；可以利用的頻譜范圍相對(duì)較寬，因此信息容量大。

懸置基片微帶線[3]是一個(gè)帶有屏蔽殼的微帶線。其主要結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為：上面的導(dǎo)體和介質(zhì)基片懸于空氣中。這種結(jié)構(gòu)有利于并接安置半導(dǎo)體器件，也有利于放置鐵氧體及介質(zhì)諧振器等；此外，也有利于把導(dǎo)體帶與接地板相接而構(gòu)成短路。懸置基片微帶線傳輸?shù)闹髂Ｊ菧?zhǔn)TEM模，它的等效相對(duì)介電常數(shù)較小，即介質(zhì)的影響較小，因此介質(zhì)損耗較小。所以在亞毫米波電子系統(tǒng)中，廣泛采用懸置微帶線作為傳輸線，然而目前亞毫米波系統(tǒng)間大部分采用的是標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，因此設(shè)計(jì)懸置微帶線到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)的過(guò)渡轉(zhuǎn)換是十分必要的。

1 原理及設(shè)計(jì)

毫米波和亞毫米波技術(shù)研究的重要內(nèi)容[4]之一是電磁信號(hào)在不同的傳播媒介之間的轉(zhuǎn)換。本文選用的是懸置基片微帶探針型過(guò)渡結(jié)構(gòu)，該過(guò)渡形式的結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，其轉(zhuǎn)換裝置的2種常見(jiàn)方式如圖1，一種是懸置微帶線平面垂直于波導(dǎo)，另一種是懸置微帶平面平行于波導(dǎo)[5]。

圖1 懸置基片微帶探針過(guò)渡轉(zhuǎn)換裝置示意圖

探針型過(guò)渡結(jié)構(gòu)能很好地解決掉懸置微帶線輸入和輸出端口在周圍電路交叉的問(wèn)題，相對(duì)于其它結(jié)構(gòu)(如脊波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)和鰭線過(guò)渡結(jié)構(gòu))，此結(jié)構(gòu)更加緊湊，加工也方便。懸置微帶探針處于波導(dǎo)寬邊的中心處，就相當(dāng)于是一個(gè)接收天線，這里的電場(chǎng)能量最強(qiáng)。通過(guò)調(diào)節(jié)懸置微帶探針的尺寸大小，耦合到全部的能量。調(diào)節(jié)懸置微帶探針的寬度和長(zhǎng)度得到較小的損耗和較好的頻帶特性。懸置微帶探針與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)短路面相差1/4波導(dǎo)的波長(zhǎng)，使得標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)短路面反射回來(lái)的能量，在懸置微帶探針的地方反相疊加，這樣可以獲得非常好的駐波，懸置微帶的探針附近被激勵(lì)起來(lái)的高次模具有電抗性質(zhì)，所以需要探針后加一段傳輸線來(lái)作阻抗匹配。而且這種轉(zhuǎn)換裝置容易實(shí)現(xiàn)寬帶特性，因此它可以適應(yīng)更多實(shí)際設(shè)計(jì)使用的要求[6]。

懸置基片微帶線到探針式矩形波導(dǎo)過(guò)渡轉(zhuǎn)換的分析方法有很多，而其中標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)到同軸的過(guò)渡轉(zhuǎn)換電路原理和它相似。下面是文獻(xiàn)[7]中給出的公式：

(1)

(2)

(3)

2 建模及仿真

根據(jù)上述理論分析，本文最終選擇懸置微帶探針的方向與波導(dǎo)傳播方向垂直的方案。

介質(zhì)基片不僅是電路的支撐體，而且又是微波電磁場(chǎng)的傳輸媒質(zhì)。在設(shè)計(jì)微波電路仿真之前，都需要先確定介質(zhì)基片。微波電路對(duì)基片的一般要求是損耗小、硬度強(qiáng)、表面光滑度高、韌性強(qiáng)和價(jià)格低等。目前可用于毫米波和亞毫米波頻段的介質(zhì)基片一般有：藍(lán)寶石、石英和氧化鋁陶瓷等，在毫米波和亞毫米波頻段，電路的損耗相對(duì)較大，而選擇低介質(zhì)常數(shù)的介質(zhì)基片，有利于減少電路損耗，同時(shí)選擇厚度小的介質(zhì)基片，這樣可以防止各種高次模式存在。綜合介質(zhì)損耗、加工精度、表面光潔度、主模截止頻率和成本等方面因素，采用了石英作為基片。在設(shè)計(jì)過(guò)程中考慮到國(guó)內(nèi)加工水平的限制，具體參數(shù)如下：相對(duì)介電常數(shù)為3.78，損耗角正切為0.002 7，基片厚度為0.1 mm(一般需要廠家定制)。

標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)終端短路長(zhǎng)度選擇四分之一個(gè)波導(dǎo)波長(zhǎng)，用來(lái)保證懸置微帶探針在波導(dǎo)內(nèi)處于電磁場(chǎng)最強(qiáng)的位置，以達(dá)到盡量高的耦合效率以減小回波損耗和插入損耗；由于波導(dǎo)的阻抗較高，需要將它的高度減低來(lái)降低特性阻抗，以達(dá)到與懸置基片微帶線匹配的目的。因?yàn)楸疚氖轻槍?duì)180 GHz二倍頻的設(shè)計(jì)，還需要在輸出波導(dǎo)另外一邊加入偏置電路，主要目的是為了阻止二次諧波從偏置電路泄漏，這類偏置電路主要是采用傳輸線上加載徑向線的方式構(gòu)成低通濾波器，這里不再詳說(shuō)。通過(guò)HFSS仿真軟件，172～190 GHz的阻帶插損在40 dB以上。 所以通過(guò)上面所述，懸置基片微帶探針到偏置中的寬與長(zhǎng)是2個(gè)重要參數(shù)，同樣地，懸置基片微帶的高和寬也是2個(gè)重要參數(shù)。綜合上述所說(shuō)，需要優(yōu)化探針的寬和長(zhǎng)，短路面位置，輸出減高波導(dǎo)的高來(lái)達(dá)到好的結(jié)果。最終輸出波導(dǎo)為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)BJ1800，長(zhǎng)為1.30 mm，寬為0.65 mm，懸置微帶線的腔體寬為0.6 mm，懸置微帶線的導(dǎo)帶帶寬為0.1 mm，圖2為其仿真模型。

圖3為仿真結(jié)果。從圖3可以看出懸置微帶線到波導(dǎo)過(guò)渡在172～190 GHz頻段輸出端Port1的回波損耗為20 dB，輸出端Port1到Port3的隔離度為40 dB。從圖4可以看出懸置微帶線到波導(dǎo)過(guò)渡在172～190 GHz頻段輸入端Port2到輸出端Port1的插入損耗為0.1 dB。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文利用HFSS仿真軟件進(jìn)行仿真和優(yōu)化，討

圖2 懸置基片微帶線到波導(dǎo)過(guò)渡轉(zhuǎn)換仿真模型

圖3 懸置基片微帶線到波導(dǎo)過(guò)渡的回波損耗和隔離度

論了180 GHz懸置微帶到波導(dǎo)過(guò)渡的設(shè)計(jì)，通過(guò)仿真能取得良好的性能。仿真的亞毫米波懸置微帶到波導(dǎo)的過(guò)渡，能夠用于各種波導(dǎo)接口亞毫米波系統(tǒng)中，該設(shè)計(jì)方法同樣適用于更高頻段(如THz)的波導(dǎo)懸置微帶變換。

圖4 懸置微帶線到波導(dǎo)過(guò)渡的插入損耗

[1] 程兆華,祝大軍,劉盛綱.太赫茲技術(shù)的研究進(jìn)展[J].現(xiàn)代物理知識(shí),2005，17(5)：40-44.

[2] 廖復(fù)疆.微型真空電子器件和太赫茲輻射源技術(shù)進(jìn)展[J].電子學(xué)報(bào)，2003，31(9)：1361-1364.

[3] 閆潤(rùn)卿，李英惠.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].西安：西安電子科技大學(xué)出版社,1997.

[4] 薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1998.

[5] 稅蘭英.Q波段寬帶四倍頻器的研制[D].成都：電子科技大學(xué),2007.

[6] 田兵.Ka頻段電路功率合成技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué),2007.

[7] IZADIAN J,Izadian S M.Microwave Transition Design[M].Norwood，MA：Artech,1988.