V波段微帶-波導過渡設計

張運傳,劉志紅

(華東電子工程研究所，安徽 合肥 230031)

0 引 言

隨著毫米波技術的日益發展，單片微波集成電路(MMIC)的使用越來越廣泛。在毫米波集成電路中，微帶線是一種十份重要的傳輸形式，各個單片器件的之間的連接主要使用微帶線。而在遠距離傳輸及毫米波測試系統中，具有插入損耗小、Q值高等特點的金屬波導被經常使用。因此在毫米波電路和系統中迫切需要解決微帶線到波導的轉換問題[1]。

實現微帶到波導的轉換主要有探針過渡[2]、脊波導過渡[3]、對脊鰭線過渡等[4-5]。脊波導過渡加工相對復雜，而對脊鰭線過渡要產生一系列的諧振模式，如果諧振頻率落在其相連的微波電路工作頻率范圍內，微波電路將不能正常工作。本文從應用實際出發，對三種過渡結構進行了比較，最終采用探針方式設計了一款微帶-波導轉換結構， 并進行了實物測試，測試結果滿足指標要求。

1 波導微帶探針原理分析

波導微帶探針是從波導同軸探針發展而來，微帶探針一般通過波導寬邊的孔插入波導腔內，通過一段起耦合作用的微帶線把波導中的能量耦合到微帶中，該結構具有損耗低、駐波小、帶寬較寬、加工方便、結構緊湊等特點。微帶-波導探針一般有兩種形式：

E面探針，微帶探針平面和波導內的電磁波傳輸方向平行；

H面探針，微帶探針平面和波導內的電磁波傳輸方向垂直。

在矩形波導中離探針四分之一波長的短路面保證探針在波導內處于最大電壓，也即電場最強位置。本文的設計采用波導E面探針。

圖1 波導E面耦合探針

2 波導微帶探針模型設計

圖2 波導-微帶-波導過渡仿真模型

本文設計的波導微帶探針主要用于77 GHz毫米波防撞雷達收發前端測試，設計頻率范圍為74～80 GHz。鑒于工程實際需要，介質基片選用石英，此材料在高頻段性能優良，具有平整度高、熱穩定性好、膨脹系數小、介電常數低、絕緣性好等特征。選用的石英厚度為0.127 mm，介電常數為3.78。該過渡選用的是標準矩形波導WR10,波導內截面大小為2.54 mm×1.27 mm。為了能夠對過渡進行測試，設計了一個背靠背的波導-微帶-波導轉換結構，它是將兩個微帶-波導過渡結構背靠背連接在一起，這樣兩個輸出口都為波導，便于和毫米波儀表連接進行測試，而單個過渡結構的損耗為背靠背結構損耗的一半。圖2為設計的背靠背波導-微帶-波導仿真模型，探針所在的平面和電磁波傳輸方向平行，伸入波導內的探針微帶底面被腐蝕，正面導帶由高低阻抗線組成，低阻抗線等效于電容，高阻抗線等效于電感，從而形成LC諧振回路，將波導中的能量耦合到微帶電路中[6]。波導窗開在寬邊中心，距離終端短路面λg/4，λg為波導波長，是導行系統中導模相鄰同相位面之間的距離。波導窗的寬度和高度要選擇適當，從而抑制波導高次模到微帶腔體的耦合。

圖3為經優化后的仿真結果，從圖中可以看出，端口的反射系數基本小于-30 dB，插入損耗小于0.15 dB,效果良好。

圖3 背靠背過渡仿真結果

3 波導微帶探針測試結果分析

按照仿真優化的轉換結構尺寸，實際加工制作了一個背靠背的波導-微帶-波導電路，實物如圖4所示。用是德公司的矢量網絡分析儀N5247A對轉換結構進行了測試，測試結果如圖5所示。從圖5中可以看出，在74～80 GHz的頻率范圍內插入損耗小于2.2 dB(單個波導微帶損耗小于1.1 dB),回波損耗小于-15 dB，能滿足實際測試需求。

圖4 背靠背過渡實物圖

圖5 背靠背過渡測試結果

對實際測試結果和仿真結果進行對比，可以看出兩者的指標曲線變化趨勢不是很一致。這主要是因為石英基板的粘貼精度和腔體的加工精度無法達到要求；同時在仿真優化時沒有考慮石英的損耗角。

4 結 語

本文設計了一款V波段波導-微帶過渡結構，用商業高頻仿真軟件HFSS對過渡結構進行了仿真優化并對實物進行了測試，結果表明在74～80 GHz的頻率范圍內，該過渡損耗小于2.2 dB(單個波導微帶損耗小于1.1 dB),駐波小于-15 dB，性能優良，能滿足實際測試要求。