林元根，袁 辰，葉波濤

(中國船舶重工集團公司第七二三研究所，江蘇 揚州 225101)

0 引 言

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

懸置基片微帶線[3]是一個帶有屏蔽殼的微帶線。其主要結(jié)構(gòu)特點為：上面的導體和介質(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菧蔜EM模，它的等效相對介電常數(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準波導，因此設計懸置微帶線到標準波導的過渡轉(zhuǎn)換是十分必要的。

1 原理及設計

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渡結(jié)構(gòu)，該過渡形式的結(jié)構(gòu)相對簡單，其轉(zhuǎn)換裝置的2種常見方式如圖1，一種是懸置微帶線平面垂直于波導，另一種是懸置微帶平面平行于波導[5]。

圖1 懸置基片微帶探針過渡轉(zhuǎn)換裝置示意圖

探針型過渡結(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題，相對于其它結(jié)構(gòu)(如脊波導過渡結(jié)構(gòu)和鰭線過渡結(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寬邊的中心處，就相當于是一個接收天線，這里的電場能量最強。通過調(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度得到較小的損耗和較好的頻帶特性。懸置微帶探針與標準波導短路面相差1/4波導的波長，使得標準波導短路面反射回來的能量，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起來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作阻抗匹配。而且這種轉(zhuǎn)換裝置容易實現(xiàn)寬帶特性，因此它可以適應更多實際設計使用的要求[6]。

懸置基片微帶線到探針式矩形波導過渡轉(zhuǎn)換的分析方法有很多，而其中標準矩形波導到同軸的過渡轉(zhuǎn)換電路原理和它相似。下面是文獻[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的傳輸媒質(zhì)。在設計微波電路仿真之前，都需要先確定介質(zhì)基片。微波電路對基片的一般要求是損耗小、硬度強、表面光滑度高、韌性強和價格低等。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。在設計過程中考慮到國內(nèi)加工水平的限制，具體參數(shù)如下：相對介電常數(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)。

標準矩形波導終端短路長度選擇四分之一個波導波長，用來保證懸置微帶探針在波導內(nèi)處于電磁場最強的位置，以達到盡量高的耦合效率以減小回波損耗和插入損耗；由于波導的阻抗較高，需要將它的高度減低來降低特性阻抗，以達到與懸置基片微帶線匹配的目的。因為本文是針對180 GHz二倍頻的設計，還需要在輸出波導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。通過HFSS仿真軟件，172～190 GHz的阻帶插損在40 dB以上。 所以通過上面所述，懸置基片微帶探針到偏置中的寬與長是2個重要參數(shù)，同樣地，懸置基片微帶的高和寬也是2個重要參數(shù)。綜合上述所說，需要優(yōu)化探針的寬和長，短路面位置，輸出減高波導的高來達到好的結(jié)果。最終輸出波導為標準矩形波導BJ1800，長為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過渡在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過渡在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

本文利用HFSS仿真軟件進行仿真和優(yōu)化，討

圖2 懸置基片微帶線到波導過渡轉(zhuǎn)換仿真模型

圖3 懸置基片微帶線到波導過渡的回波損耗和隔離度

論了180 GHz懸置微帶到波導過渡的設計，通過仿真能取得良好的性能。仿真的亞毫米波懸置微帶到波導的過渡，能夠用于各種波導接口亞毫米波系統(tǒng)中，該設計方法同樣適用于更高頻段(如THz)的波導懸置微帶變換。

圖4 懸置微帶線到波導過渡的插入損耗

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

[2] 廖復疆.微型真空電子器件和太赫茲輻射源技術(shù)進展[J].電子學報，2003，31(9)：1361-1364.

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

[4] 薛良金.毫米波工程基礎[M].北京:國防工業(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,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,2007.

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