180 GHz懸置微帶線到波導過渡的設計

2018-06-19 08:00:48林元根葉波濤

艦船電子對抗 2018年2期

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。其主要結構特點為：上面的導體和介質基片懸于空氣中。這種結構有利于并接安置半導體器件，也有利于放置鐵氧體及介質諧振器等；此外，也有利于把導體帶與接地板相接而構成短路。懸置基片微帶線傳輸的主模是準TEM模，它的等效相對介電常數較小，即介質的影響較小，因此介質損耗較小。所以在亞毫米波電子系統中，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換是十分必要的。

1 原理及設計

毫米波和亞毫米波技術研究的重要內容[4]之一是電磁信號在不同的傳播媒介之間的轉換。本文選用的是懸置基片微帶探針型過渡結構，該過渡形式的結構相對簡單，其轉換裝置的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換裝置示意圖

探針型過渡結構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，相對于其它結構(如脊波導過渡結構和鰭線過渡結構)，此結構更加緊湊，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。通過調節懸置微帶探針的尺寸大小，耦合到全部的能量。調節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，所以需要探針后加一段傳輸線來作阻抗匹配。而且這種轉換裝置容易實現寬帶特性，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。在設計微波電路仿真之前，都需要先確定介質基片。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，而選擇低介質常數的介質基片，有利于減少電路損耗，同時選擇厚度小的介質基片，這樣可以防止各種高次模式存在。綜合介質損耗、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加工水平的限制，具體參數如下：相對介電常數為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，同樣地，懸置基片微帶的高和寬也是2個重要參數。綜合上述所說，需要優化探針的寬和長，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。