一種Ku波段波導－微帶轉換器的研制

宋志東 康 穎

(西安電子工程研究所 西安 710100)

1 引言

采用微帶的毫米波集成電路往往都必須包含波導——微帶過渡接口。在實際應用中，過渡器的一個不可忽視的附加因素是氣密要求。很多微帶電路，特別是軍用微帶電路，為保證能在各種惡劣環境條件下性能的穩定性，對系統的氣密性提出了更高的要求。另外，目前的微波毫米波電路正在向小型化的趨勢發展，為了便于整體電路的小型化設計，過渡器的體積和接口方向也成為一個重要的考慮因素。

目前過渡形式主要存在以下方式:鰭線過渡、小孔耦合、脊波導過渡以及E-面探針方式等，這些形式各有優缺點，適合不同場合。本設計采用微帶-脊波導-波導過渡，在保證氣密的基礎上，將射頻能量從直通方向引出。

2 基本原理

微帶-脊波導-波導過渡結構是以阻抗漸變的形式由矩形波導向微帶轉換的。這種結構的特點在于:1.基片整體尺寸小，便于加工制作;2.脊波導過渡無電路諧振問題，因而適用于寬帶電路。

脊波導的結構如圖1所示，該圖所示為一個單脊波導結構，其特性阻抗為:

圖1 脊波導截面圖

其中:

因而，脊波導的脊寬W可由己知的a，b，g(g=h)和Z0=50Ω通過上式求解。

階梯脊結構是把矩形波導的主模波阻抗變化到微帶特性阻抗以實現過渡目的。這種脊由若干個1/4λ減高波導段組成，以便使波導高度從b逐漸變化到微帶基片的厚度。實驗證明，采用四個階梯，即一個導行波長長度，就可提供全頻段帶寬。這種結構的優點是可以把過渡段埋在波導內，因而不會增大整個電路體積。在這種結構中，減少階梯數目就能縮短過渡段的物理長度，從而使設計更為緊湊，但是這樣也會減小帶寬。在實際的工程設計中，可以根據具體的工作帶寬選擇階梯數目。本處結合實際應用情況，采用了四個階梯脊結構過渡。

對于波導到微帶過渡可看成非50Ω傳輸系統過渡到50Ω傳輸系統的問題，也就是阻抗變換問題。而阻抗變換的理論已經比較成熟，根據實際結構，這里采用的是1/4波長多節變換器(圖2)。在綜合設計時，切比雪夫多項式在給定駐波比時其長度最小，其元件值可查［1］，現已被廣泛使用。

圖2 四分之一波長多節變換器原理圖

3 仿真設計

波導-脊波導-微帶轉換結構如圖3所示。整個轉換器的微帶端口采用波珠與射頻前段進行連接，保證了氣密性。

圖3 波導-微帶轉換結構示意圖

跟據理論分析以及相關公式可以得到4級階梯脊波導的相關結構尺寸，利用Ansoft公司的商用軟件HFSS11建立模型進行仿真優化(圖4)。

圖4 波導-微帶轉換結構仿真模型

首先確定脊波導在整個轉換結構中的位置，發現脊波導與微帶端口之間的間距會對仿真結果產生一定影響。在不影響加工的前提下，選取了一個較好的結果;其次對脊波導各級相關變量進行微調;最后考慮到加工誤差對性能的影響，對整體結構進行誤差預分析，盡量去除對加工誤差敏感的細微處，以提高加工成品率。最后得到的相關尺寸如下(圖3):

仿真結果如圖5所示。

從仿真結果中可以看出，設計的過渡結構在13GHz—17GHz頻率范圍內有良好的性能，插入損耗小于0.2dB，端口駐波系數小于1.4。

圖5 波導-微帶轉換結構仿真結果

4 樣件制作及測試

根據仿真結果制作樣品，樣品采用黃銅加工，表面鍍金制作，如圖6所示。

用安捷倫矢量網絡分析儀5244A測試樣件，在13GHz－17GHz頻段內，測試數據見圖7(為便于測量，微帶端口接有 SMA接頭)，端口駐波系數 ＜1.35，兩只轉換器波導口背靠背測試所得插損＜0.9dB。

由測試結果可以得出，每個轉換器的插入損耗小于0.5dB，駐波系數小于1.35，實際測量結果與仿真結果基本一致。由于加工誤差，導致微帶線與脊波導相壓過緊耗在(圖3)，測試的端口駐波系數和插入損14GHz－15GHz略有惡化。

5 總結

本文介紹了一種直通方向的波導—脊波導—微帶過渡結構的設計方法，這種結構與其他常用的過渡結構相比，其主要優點在于既解決了波導—微帶探針過渡、波導—鰭線—微帶過渡等結構普遍存在的氣密性的問題，而且具有波導接口—脊波導—微帶線直通的連接方向，比傳統的幾種過渡結構更有利于小型化集成。

［1］董在望等.通信電路原理［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］David M.Pozar.微波工程［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［3］Reinhold Ludwigd等.射頻電路設計［M］.北京:電子工業出版社，2006.

［4］朱大紅，齊峰.Ka波段波導-微帶轉接器的設計［J`］.微波學報，2008，10.