EHF波段波導微帶探針過渡結構研究

李 碩

(中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北石家莊 050081)

0 引言

隨著衛星通信技術發展，頻譜資源的緊張，EHF頻段將會是下一代通信衛星的優選頻段［1］。目前，美國的MILSTAR軍事通信衛星使用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中矩形波導為常用傳輸線。隨著毫米波技術的發展，毫米波混合集成電路與單片集成電路廣泛應用，微帶線作為連接 MMIC的傳輸線，成為重要的傳輸媒介。因而研制結構簡單、插入插損低的波導－微帶過渡結構是工程中重要的問題［2］。

常用的波導與微帶轉換有矩形波導－脊波導－微帶過渡［3］、矩形波導 －對脊鰭線 －微帶線過渡［4］、波導－同軸探針 －微帶過渡［5］和波導 －微帶探針過渡［6，7］等。其中，矩形波導－脊波導 －微帶過渡加工復雜，損耗大;矩形波導－對脊鰭線－微帶線過渡易于產生諧振模式，可能產生耦合影響器件性能;波導－微帶探針過渡由于具有插入損耗低、可用頻帶寬、機械結構簡單、體積小和可靠性高等特性而被廣泛采用［8］。

本文設計了兩種波導－微帶探針過渡結構，通過電磁軟件仿真優化，實際加工測試，在38～50 GHz頻帶寬度內，實現了插入損耗小于1 dB，回波損耗大于20 dB的性能指標，具有毫米波電路工程實用價值。

1 過渡結構原理分析

波導－微帶探針過渡是從波導－同軸探針發展而來，即在矩形波導的寬邊上進行開縫，在縫隙中插入一段微帶線即微帶探針以起到耦合作用，從而將矩形波導中的所有電場能量全部耦合到微帶探針上，完成過渡作用。當從矩形波導過渡到微帶時，微帶探針就相當于接收的微帶天線，將矩形波導中的電場能量接收到微帶線上;而當從微帶過渡到矩形波導時，微帶探針相當于發射的微帶天線，將微帶中的電場能量發射傳輸到矩形波導中。

當從矩形波導過渡到微帶時，沿微帶探針方向，矩形波導具有非零的電場模式，比如TE模式在微帶探針上激勵出電流，從而激勵起電磁場，將矩形波導內的電場能量傳輸到微帶線上;同理，當從微帶過渡到矩形波導時，微帶線上的準TEM模在矩形波導激勵起電流，從而激勵起相應的電場模式。

波導－微帶探針過渡有兩種常用的形式:一種是微帶平面的法向與矩形波導內電磁波的傳播方向平行，稱之為H面過渡結構［9］，另一種是微帶平面的法向與波導內電磁波的傳播方向垂直，稱之為E 面過渡結構［10］，如圖1所示。

圖1 波導微帶探針過渡結構

由電磁場的理論可知:任意一個沿微帶探針方向的具有非零電場的模式能在微帶探針的表面激勵起電流，從而產生準TEM模;根據互易定理，當微帶探針上準TEM模也能在波導產生電流，同樣激勵起微帶探針方向的非零電場模式。為了和矩形波導的主模TE10耦合最緊，根據矩形波導與微帶模式電場的場分布特點，微帶探針從矩形波導寬邊的中心插入，相當于放置于矩形波導電場強度的最大處。由于微帶探針的末端電流為零，可以假設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限細的線電流形式，可以表示為:

式中，d為微帶探針插入到矩形波導內的長度(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為輻射到波導的功率值;wm－we為高次模激勵的存在于探針周圍所儲無功能量的凈時間平均值。用已求得的ps可得微帶探針的輻射電阻為:

同理，可得TE10模對總的輸入電抗為:

式中，Z0=;β10為傳播常數。

從上式可看出:Rin，Xin隨參數l(短路活塞的距離)和d(微帶探針插入波導內的長度)的變化而變化，通過調整Rin使其等于微帶線的特性阻抗，并調整Xin以抵消波導激勵高次模的電抗，這樣使微帶探針在波導內處于電場最大值位置，因為需要波導內形成駐波，那么波節間距離為λ/2，所以波導終端短路活塞的距離取λ/4，可以達到最高的能量耦合效率，使其微帶探針與波導之間的傳輸功率達到最大值。在微帶探針設計中，微帶探針的輸入阻抗是微帶探針的寬度、長度、波導終端短路活塞的距離以及頻率的函數，由于微帶探針具有容性的電抗，一般會用一段高感抗的微帶線抵消其電容效應，這樣做犧牲頻帶寬度來實現低插入損耗，再利用1/4阻抗變換器實現與50 Ω標準微帶線的阻抗匹配。矩形波導通過一個過渡腔與后面的電路腔體相連，該過渡腔的尺寸需要合理設計，既要將電磁場能量約束在微帶線上，并抑制其高次模的傳輸，同時擁有足夠的腔高，以免影響微帶線的準TEM模式的場結構。波導－微帶過渡的性能好壞主要還是取決于插入波導內的微帶探針的尺寸大小、與波導終端短路活塞的距離、阻抗變換微帶線的尺寸以及過渡腔的尺寸，這幾個參數是波導－微帶過渡設計的重點。

2 過渡結構設計及仿真

工作頻段42～46 GHz，轉換插入損耗小于0.5 dB，回波損耗大于15 dB，包括E面波導微帶過渡和H面波導微帶過渡。

2.1 波導、介質基板及基本參數選擇

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

50 Ω的標準微帶線，金屬層厚度約為0.018 mm，根據介質基片的介電常數和厚度，可以計算得到中心頻率44 GHz處的標準微帶線寬為0.777 mm。采用 EHF頻段標準矩形波導 BJ400(WR22):寬邊為5.69 mm，窄邊為2.845 mm。

截止波長則由λc=2a可得λc=11.38 mm。再根據波導波長公式:

可得，EHF波段中心頻率44 GHz處的波導波長為8.52 mm，所對應的1/4波長就是2.13 mm，也就是微帶探針到波導終端短路活塞的距離的理論值。

2.2 模型仿真及優化

在基于有限元方法的電磁場仿真軟件平臺Ansoft HFSS中對兩種過渡結構進行建模，根據2.1節得到的基本參數，將模型中的幾何參數設定初值之后，再進行電磁仿真與優化。

經過初步仿真，發現高阻抗線與標準50 Ω阻抗線之間可以不需要四分之一阻抗變換器，也能得到滿足設計要求的仿真結果。因此在傳統的探針形式上改變，最終在微帶探針與標準50 Ω阻抗線之間只有高阻抗線完成寬帶的阻抗匹配，實現低插入損耗的變換，并且簡化了微帶電路設計。

考慮工程實際中存在機械加工、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，這些誤差對轉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－微帶探針過渡的工作帶寬從42～46 GHz拓展為38～50 GHz，保證了誤差帶來的頻帶偏移不影響工程應用的頻帶。

實際測試中不可能對單個波導－微帶探針過渡進行測試，必須采用測試背靠背過渡模型的插入損耗來算單個過渡的插入損耗。在仿真設計中，先針對單個波導微帶探針過渡進行仿真，等優化好之后，需要再對波導－微帶探針過渡的背靠背模型進行仿真，以求最終的實測結果來驗證電路設計的準確性。

通過HFSS優化后，最后得出了模型結構的主要參數和對應的尺寸如表1和表2所示。wf為50 Ω標準微帶線寬度，wp為微帶探針的寬度，lp為微帶探針的長度，wt為高阻抗線的寬度，lt為高阻抗線的長度，d為探針中心到矩形波導短路面的距離，wq為屏蔽腔的寬度，hq為屏蔽腔的高度。

根據表1和表2中的參數建立的過渡模型、仿真結果，以及E面波導微帶探針過渡結構和H面波導微帶探針過渡結構分別如圖2和圖3所示。

表1 E面微帶探針過渡模型參數

圖2 E面波導－微帶過渡背靠背模型及仿真結果

表2 H面微帶探針過渡模型參數

圖3 H面波導微帶過渡背靠背模型及仿真結果

從仿真結果看出，E面過渡與H面過渡的背靠背模型，在38～50 GHz頻帶內，回波損耗均大于21 dB，插入損耗均小于0.3 dB，滿足設計要求，可以加工制作。

在仿真優化設計過程中總結了幾點，可以指導以后的波導微帶過渡結構設計:①波導短路活塞的距離、微帶探針的長度影響波導微帶過渡的中心頻率，微帶探針的寬度影響波導－微帶過渡的帶寬，可以根據仿真結果來進行手動的有效調整以上尺寸，從而得到滿足設計的電路;②高阻抗線的尺寸影響標準微帶線與微帶探針的阻抗匹配，在電路設計中需要優化的重點參數;③電路屏蔽腔的大小決定波導－微帶過渡在工作頻帶的諧振;④選取波導短路活塞的距離，其經驗值應該選取的值是小于2.2節計算的理論值，且大于中心頻率自由空間波長的1/4。

3 實物加工及測試

根據電磁模型仿真優化后的結果，對2種波導－微帶過渡結構進行了實物加工。采用波導－微帶－波導結構進行測試EHF波段波導－微帶過渡的性能，那么波導微帶探針過渡的插入損耗約為測試結果的一半。所加工的實物如圖4所示，實測結果如圖5所示。從測試結果看出，兩種波導－微帶過渡結構在38～50 GHz頻帶內，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，波導微帶過渡的插入損耗約為0.3 dB，滿足研制要求。

兩實測結果比較，H面波導微帶過渡結構的插入損耗較E面波導微帶過渡結構的大了約0.15 dB，這并不是過渡結構的理論性能差異，而是H面的背靠背結構比E面背靠背結構中的50 Ω標準微帶線長了約10 mm，所以其測試結果要差一些。

圖4 波導微帶探針實物

將實測結果與仿真結果比較可以看出，插入損耗S21比仿真結果增大了，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、粘接時的誤差所致。但是實測結果能夠滿足系統使用要求，這兩種波導－微帶過渡結構可以根據實際情況，有選擇地在工程上使用。

圖5 實物測試結果曲線

4 結束語

研制了兩種中心頻率為44 GHz、帶寬為12 GHz的波導－微帶探針過渡結構，通過HFSS高頻三維電磁場仿真軟件對波導－微帶探針過渡進行了仿真和優化，獲得了較好的結果。最終經過實物的加工和測試，驗證了仿真結果的準確性，滿足工程應用要求。從仿真和實測結果分析，兩種波導－微帶過渡結構均具有低插損、小體積和結構簡單的優勢，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］等得到廣泛的應用，對于提高微波毫米波系統的性能有很大的幫助。 ■

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