W波段對(duì)脊鰭線波導(dǎo)微帶過渡設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

荀 民 趙宇博

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

波導(dǎo)到微帶的過渡形式多種多樣，常見的形式主要有微帶探針過渡，對(duì)脊鰭線過渡，脊波導(dǎo)過渡等，在不同的應(yīng)用環(huán)境下三種過渡形式在電性能方面都各有特色，但微帶探針過渡實(shí)現(xiàn)的帶寬較窄，微帶探針過渡和脊波導(dǎo)過渡需要較高的結(jié)構(gòu)加工精度和裝配精度。綜合來看，對(duì)脊鰭線結(jié)構(gòu)的波導(dǎo)微帶過渡具有良好的寬帶特性，對(duì)結(jié)構(gòu)加工和裝配精度要求相對(duì)較低，而且該結(jié)構(gòu)形式便于在系統(tǒng)中集成應(yīng)用，這里使用該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了一款80GHz-100GHz的超寬帶波導(dǎo)到微帶過渡，具有較強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值[1-2]。

1 對(duì)脊鰭線的設(shè)計(jì)

正反面電路如圖1所示，其中區(qū)域1為波導(dǎo)到微帶過渡的過渡區(qū)域，區(qū)域2為調(diào)諧區(qū)域，其中S為調(diào)諧塊，用于控制諧振點(diǎn)位置，區(qū)域3為微帶電路。W為50Ω帶線，b為波導(dǎo)窄邊。

金屬鰭線被制作于介質(zhì)基片的兩面，區(qū)域1當(dāng)中，實(shí)現(xiàn)了從波導(dǎo)電場(chǎng)到微帶準(zhǔn)TEM的模式轉(zhuǎn)變，在L區(qū)域當(dāng)中入射波從TE10模轉(zhuǎn)變?yōu)門EM模，從高阻轉(zhuǎn)為低阻，模式轉(zhuǎn)換過程見圖2[3-5]。

2 W波段對(duì)脊鰭線過渡設(shè)計(jì)

鰭線過渡方式多種多樣，包括余弦平方曲線，指數(shù)函數(shù)曲線，雙指數(shù)函數(shù)曲線，

余弦平方曲線：

d(z)=b-(b-s)sin2(πz/2L)

(1)

單指數(shù)和雙指數(shù)函數(shù)曲線：

d(z)=s-(b-s)(1-z/L)t

(2)

(3)

其中L代表過渡段的長(zhǎng)度，b代表的是波導(dǎo)窄邊的寬度，s代表微帶線的寬度。

過渡電路的形式不僅要考慮性能指標(biāo)，同時(shí)也要考慮過渡設(shè)計(jì)的復(fù)雜度和時(shí)間成本，使用HFSS軟件中的Spline曲線可以方便快捷地設(shè)計(jì)出低差損的高性能的波導(dǎo)到微帶過渡，成為本設(shè)計(jì)的選擇。

本設(shè)計(jì)選擇了羅杰斯公司的高頻材料RT5880作為基板板材，它的介電常數(shù)是2.2，基板的板厚為0.127mm；選擇標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸，波導(dǎo)窄邊1.27mm，波導(dǎo)寬邊2.54mm；微帶線的寬度尺寸為0.38mm，見圖3所示。仿真結(jié)果如圖4所示，從結(jié)果可以看出80GHz-100GHz范圍內(nèi)，S21小于0.2dB，S11大于17dB，轉(zhuǎn)換性能良好，由于W波段測(cè)試系統(tǒng)都是標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)接口，為了便于對(duì)實(shí)物進(jìn)行測(cè)試，這里對(duì)背靠背結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真及優(yōu)化，模型及結(jié)果如圖5，圖6所示，在80GHz-100GHz范圍內(nèi)，S21小于0.5dB，S11大于14dB，性能良好。

在3mm頻段由于電尺寸很小，所以對(duì)加工精度的要求變得很高。如果不考慮工藝因素的影響，仿真結(jié)果再好也沒有工程實(shí)現(xiàn)價(jià)值，因此在建模仿真以及優(yōu)化的過程中，并沒有直接選擇最優(yōu)的優(yōu)化結(jié)果，而是綜合考慮印制板加工精度，鍍金工藝，裝配精度等因素后，選擇了對(duì)工藝要求較低的仿真優(yōu)化結(jié)果。為了驗(yàn)證裝配精度對(duì)該結(jié)構(gòu)的過渡模型的影響，分別對(duì)印制板銅箔的厚度、波導(dǎo)腔體尺寸加工精度、鰭線區(qū)域半徑S大小(調(diào)諧區(qū)域)、印制板裝配平整度等4個(gè)變量六百多種情況進(jìn)行了掃參。圖7給出了部分半徑S取值對(duì)駐波的影響曲線。

3 實(shí)測(cè)結(jié)果

圖8展示了W波段背靠背過渡結(jié)構(gòu)加工實(shí)物圖。3mm頻段的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀端口是波導(dǎo)接口，因此實(shí)物加工也為背靠背結(jié)構(gòu)波導(dǎo)接口，80GHz～100GHz插入損耗小于0.8dB，故單邊過渡插入損耗小于0.4dB。80GHz～100GHz駐波小于1.5dB。實(shí)測(cè)結(jié)果如圖9，圖10以及圖11所示。

4 結(jié)束語

文章詳細(xì)論述了W波段波導(dǎo)對(duì)脊鰭線微帶過渡的設(shè)計(jì)方法，從仿真結(jié)果的曲線可以看出諧振點(diǎn)出現(xiàn)在109GHz左右，實(shí)測(cè)諧振點(diǎn)出現(xiàn)在105GHz左右，犧牲了部分帶寬。分析諧振點(diǎn)位置的偏差原因，應(yīng)該是由裝配精度及印制板加工精度引起的。在實(shí)物驗(yàn)證過程中沒有選擇仿真最優(yōu)方案Rs=0.3mm，而是選擇對(duì)工藝敏感最小方案Rs=0.2mm如圖11。使得實(shí)物與仿真結(jié)果未發(fā)生大的偏差。實(shí)物測(cè)試表明該設(shè)計(jì)在80GHz～100GHz范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了超寬帶波導(dǎo)到微帶過渡。性能良好，具有較強(qiáng)的實(shí)用意義。