嚴(yán)琳

（電子科技大學(xué) 物理電子學(xué)院，四川 成都 610054）

隨著毫米波技術(shù)在軍事領(lǐng)域中發(fā)揮出的巨大優(yōu)勢，以及其在民用方面所具備的廣闊應(yīng)用前景，使得成本低、體積小、可靠性高和便于大規(guī)模制作的毫米波單片集成電路（MMIC）得到了廣泛地應(yīng)用。微帶線是毫米波集成電路中的一種十分重要的傳輸形式，MMIC單片之間主要采用微帶線相連接。然而，目前毫米波集成系統(tǒng)之間的連接和毫米波測量系統(tǒng)仍主要采用金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，尋求一種低成本、低損耗和易制造的寬帶矩形波導(dǎo)到微帶過渡對毫米波技術(shù)的應(yīng)用具有重要的意義。

目前常用的幾種波導(dǎo)—微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)有：波導(dǎo)—脊波導(dǎo)—微帶過渡[1]、波導(dǎo)—對極鰭線—微帶過渡[2]、波導(dǎo)—探針—微帶過渡[3-4]。這些結(jié)構(gòu)在一定范圍內(nèi)都可以實現(xiàn)較寬的帶寬。但是脊波導(dǎo)過渡加工復(fù)雜，損耗較大；對脊鰭線過渡要產(chǎn)生一系列的諧振模式，如果某一諧振頻率正好落入與其相連的器件的工作帶寬，就可能使其對器件產(chǎn)生耦合，從而影響器件的性能；耦合探針結(jié)構(gòu)因波導(dǎo)出口方向與電路垂直，使其不滿足很多系統(tǒng)需要。為了進一步提高這些過渡結(jié)構(gòu)的性能，研究者們提出了一些新穎的結(jié)構(gòu)，在一定帶寬范圍內(nèi)實現(xiàn)了較好的插入損耗和回波損耗，但不易加工。

文中采用了結(jié)構(gòu)簡單和加工方便的反對稱漸變探針結(jié)構(gòu)，使用三維電磁仿真軟件HFSS進行了仿真，在W波段全波導(dǎo)帶寬內(nèi)實現(xiàn)了插入損耗小于0.088 dB，回波損耗大于27 dB。

1 基本原理

圖1為此設(shè)計在HFSS中的結(jié)構(gòu)視圖。該結(jié)構(gòu)主要包含3部分：微帶線、矩形金屬波導(dǎo)和反對稱漸變探針。探針過渡是利用一段起耦合作用的微帶線將波導(dǎo)中的電磁場耦合到微帶線中去，實現(xiàn)毫米波信號在波導(dǎo)與微帶線中的相互傳輸。矩形波導(dǎo)中電磁波傳輸?shù)闹髂門E10模，其波阻抗定義為：

根據(jù)這一特性阻抗的定義計算可知，其阻抗值比50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線要高很多，為了保證兩者之間的良好匹配，必須在矩形波導(dǎo)和微帶線之間采用阻抗變換，把波導(dǎo)的等效阻抗逐步降低為微帶線的特性阻抗。此外，阻抗變換過程越平緩，插損就越小，傳輸性能就越好。在此結(jié)構(gòu)中，反對稱漸變曲線采用HFSS仿真軟件中的Spline曲線 （通過選取節(jié)點個數(shù)和位置的不同模擬曲線曲率）來進行設(shè)計。文中選取了5個節(jié)點以確定其曲率，通過改變節(jié)點的位置對曲線進行優(yōu)化。選用Spline曲線設(shè)計，不僅可以在很大程度上提高反對稱漸變段的過渡性能，而且便于設(shè)計，縮短設(shè)計時間。

圖1 利用反對稱漸變探針構(gòu)成的波導(dǎo)微帶過渡結(jié)構(gòu)視圖Fig.1 Structure of waveguide to microstrip using antisymmetric probes

2 電路設(shè)計

文中采用WR-10（2.54 mm×1.27 mm）矩形波導(dǎo)，過渡到50 Ω標(biāo)準(zhǔn)微帶線（寬度為0.38 mm），微帶線和反對稱漸變探針制作在Rogers RT/Duroid5880軟基片上，介質(zhì)基片厚度為0.127 mm，相對介電常數(shù)εr=2.22。實際使用過程中常在微帶電路四周用金屬腔屏蔽，以減少輻射損耗和機械損耗。此仿真中金屬腔設(shè)為理想導(dǎo)體，尺寸為1.27 mm×1.27 mm，介質(zhì)基片由波導(dǎo)寬邊的中間位置插入，使反對稱漸變探針置于波導(dǎo)的E面。

圖2 微帶波導(dǎo)探針過渡的俯視圖Fig.2 Top view of microstrip to waveguide probe transition

在此設(shè)計中，整個反對稱漸變探針起阻抗變換的作用，又因其在波導(dǎo)腔內(nèi)完成，故減小了設(shè)計電路的尺寸。從圖3中可以看出，反對稱漸變過渡結(jié)構(gòu)最后把波導(dǎo)的高阻抗變換到接近標(biāo)準(zhǔn)微帶線的50 Ω。從圖4可以觀察出，反對稱漸變探針將微帶中Z極化方向的電場轉(zhuǎn)變?yōu)榫匦尾▽?dǎo)中TE模式的Y極化方向電場。

圖3 反對稱漸變過渡到微帶線端口阻抗Fig.3 Port impedance of using the antisymmetric probes

圖4 反對稱漸變過渡的場分布圖Fig.4 Field distribution of using the antisymmetric probes

3 仿真分析和結(jié)果

為了得出適用于工程應(yīng)用的參考數(shù)據(jù)，消除不必要的重復(fù)設(shè)計，文中通過高頻仿真軟件HFSS對結(jié)構(gòu)的敏感尺寸進行了仿真和優(yōu)化，總結(jié)出這些參數(shù)變化對過渡性能的影響，以得出便于實際工程應(yīng)用。表1給出了結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)和對應(yīng)的尺寸。b0為反對稱漸變探針重合部分的長度，b3為反對稱漸變探針開始端的寬帶，d為反對稱漸變探針末端到矩形波導(dǎo)壁的距離。在仿真優(yōu)化中，b0、b3和d是優(yōu)化的關(guān)鍵參數(shù)。

表1 微帶波導(dǎo)探針過渡結(jié)構(gòu)的主要參數(shù)（單位：mm）Tab.1 Main parameters of microstrip to waveguide probe transition（units:mm）

圖5為調(diào)節(jié)b0時，W波段所對應(yīng)的插入損耗和回波損耗。這部分結(jié)構(gòu)是能量開始比較集中的地方，所以是調(diào)節(jié)的關(guān)鍵參數(shù)。仿真過程中，可設(shè)置其初值為四分之一波長，再根據(jù)效果做進一步的調(diào)節(jié)。

圖6和圖7是調(diào)節(jié)d和b3的尺寸所對應(yīng)的插入損耗和回波損耗在W波段內(nèi)的曲線。b3的尺寸應(yīng)與微帶的寬度相差不大，以盡量減少因微帶線與反對稱漸變探針連接部分尺寸突變帶來的影響。d的尺寸如果過小，則會影響場分布。在仿真優(yōu)化時，可以先大致確定b0和b3的值，再調(diào)節(jié)d的值以快速達到最佳的效果。

由圖 5、6和 7可知，當(dāng) b0=0.6 mm，d=0.15 mm，b3=0.33 mm時可得到比較好的場耦合，且在尺寸變化不大的范圍內(nèi)仍可以取得較好的效果，故降低了加工的精度。在設(shè)計中，較大尺寸的過渡結(jié)構(gòu)可以保證良好的過渡性能，但設(shè)計人員都希望過渡段越短越好，另一方面尺寸過短又會使回波損耗顯著增加，所以選擇一個合理的過渡長度，對過渡特性有很重要的影響，此結(jié)構(gòu)中最后優(yōu)化的b1=0.88 mm。綜合以上幾種參數(shù)的掃描結(jié)果分析，再結(jié)合表1所給尺寸可得仿真結(jié)果如圖8。在W波段全波導(dǎo)帶寬內(nèi)，插入損耗小于0.088 dB，回波損耗大于27 dB。在中心頻率處，插入損耗為0.073 dB，回波損耗為39.2 dB。圖中虛線為插入損耗，實線為回波損耗。

圖5 不同的b0值所對應(yīng)的S參數(shù)曲線Fig.5 Simulated S-parameters of different b0

圖6 不同的d值所對應(yīng)的S參數(shù)曲線Fig.6 Simulated S-parameters of different d

圖7 不同的b3值所對應(yīng)的S參數(shù)曲線Fig.7 Simulated S-parameters of different b3

4 結(jié) 論

圖8 插入損耗和回波損耗的仿真結(jié)果Fig.8 Simulated insertion and return losses

文中設(shè)計了一種中心頻率為94 GHz的波導(dǎo)-微帶探針過渡結(jié)構(gòu)并采用HFSS對其進行了仿真和優(yōu)化。從仿真結(jié)果分析可知，該過渡設(shè)計具有頻帶寬，插入損耗小，回波損耗大，結(jié)構(gòu)簡單和加工容易的特性，又因整個阻抗變換部分都在波導(dǎo)腔內(nèi)完成，使其具有結(jié)構(gòu)緊湊的特性，故該結(jié)構(gòu)在毫米波段的應(yīng)用前景非常廣闊。

[1]Moochalla S S，An C.Ridge waveguide used in microstrip transition[J].Microwaves RF，1984（3）:149-153.

[2]Lavedan L J.Design of waveguide-to-microstrip transition specially suited to millimeter-wave applications[J].Electronics Letters，1997（13）：604-605.

[3]Ho T Q，Shih Y C.Spectral-domain analysis of E-plane waveguide to microstrip transitions[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，1989（37）：388-392.

[4]Shih Y C， Ton T N， Bui L Q.Waveguide-to-microstrip transitions for millimeter-wave applications[J].IEEE MTT-S Int.Microwave Symposium Digest，1988（2）：473-475.

[5]Kaneda N，Qian Y，Itoh T.A broadband microstrip-towaveguide transition usingquasi-Yagiantenna[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，1999（47）：2562-2567.

[6]LIN Ting-huei，WU Ruey-Beei.A Broadband Microstrip-to-Waveguide Transition with Tapered CPS Probe[C]//Proc.32nd Eur.Microwave Conf.，2002：1-4.

[7]Wu P， Wang Z， Zhang Y，et al.Wideband waveguide to microstrip probe transition with LTCC technology[J].Electronics Letters，2011（47）：43-44.