W波段波導—微帶對脊鰭線過渡結構設計

單 偉 包 超 高志宇 鄭 曉 秦 越

(中國核動力研究設計院核反應堆系統設計技術重點實驗室，四川 成都610213）

0 引言

在毫米波混合集成電路中，常采用微帶線作為毫米波集成電路之間的信號傳輸線。然而現有的毫米波測試儀器設備通常以標準的矩形波導作為毫米波信號的測試接口，除此之外，不同的毫米波電路器件之間的連接接口也常通過矩形波導實現級聯。因此需要一種過渡結構有效地保證電磁波信號在兩種傳輸線之間低損耗的傳輸轉換。常見的矩形波導到微帶線的過渡結構分為：微帶探針過渡[1，2]、階梯脊波導過渡和對脊鰭線過渡[3～4]。但在毫米波電路系統中，由于電路尺寸小，對加工工藝精度要求高等因素，因此，要求結構緊湊且易于加工的過渡結構。相比之下，對脊鰭線過渡結構滿足上述要求。

本文基于一種對脊鰭線過渡結構設計并仿真了一款W波段的矩形波導到微帶線的過渡結構。最終的仿真結果表明，該過渡結構在80～95 GHz的頻帶范圍內回波損耗小于20 dB，插入損耗小于0.4 dB。

1 理論分析

矩形波導到微帶線的過渡實際上是阻抗匹配和波形變換問題。標準矩形波導的工作主模是TE10模，而微帶線傳輸準TEM模式的電磁波信號。雖然兩者的工作模式不同，但考慮到兩者的電壓和電流的定義是相容的，可以把復雜的場匹配問題簡化為傳輸線的匹配問題。根據工作頻段分析，本文選用矩形波導WR10（2.54 mm×1.27 mm）。微帶線的特性阻抗為50Ω[5]。

矩形波導到微帶線的對脊鰭線過渡結構如圖1所示。介質基片兩面的對脊金屬鰭呈漸變曲線，可實現將矩形波導的TE10模電場集中并逐漸旋轉90°，使得對脊鰭線交叉重疊部分傳輸準TEM模[6]。此外，該過渡結構通過漸變的對脊鰭線實現阻抗匹配的作用，將矩形波導的主模特性阻抗匹配至與微帶線50Ω的特性阻抗相近的阻抗值。

圖1 矩形波導—微帶對脊鰭線過渡結構

2 電路設計與仿真

2.1 漸變鰭線設計

鰭線漸變的平滑曲線形式主要有：指數線型、拋物線型和余弦平方線型[7]，漸變曲線的頻率響應曲線如圖2所示。考慮到余弦平方漸變曲線在毫米波波長尺寸的量級的上易加工，有利于提高電路的加工精度高，因此本文選該曲線形式過渡結構。

余弦平方漸變曲線形式的對脊鰭線過渡結構采用公式（1）進行建模設計。

式中各電路尺寸參數見圖3所示注釋。

圖3 余弦平方漸變曲線對脊鰭線過渡結構

2.2 仿真分析

本文設計的波導—微帶過渡結構選用Rogers RT5880軟基片。在W波段的工作頻段下，介質基片厚度為0.127 mm，相對介電常數為2.2，矩形波導為WR10，微帶線寬度0.38 mm。建立的仿真模型如圖4所示。

圖4 對脊鰭線過渡模型圖

通過仿真優化，完成后的仿真結果如圖5所示。在80～95 GHz的工作范圍內，S11小于-20 dB，S21大于-0.4 dB。仿真表明，該波導—微帶過渡結構性能良好。

圖5 模型仿真曲線

3 結論

本文基于對脊鰭線過渡結構，采用余弦平方漸變曲線的過渡形式，設計并仿真了一種W波段的矩形波導-微帶線的過渡結構。該過渡結構不僅具有平面電路的幾何結構優點，而且空間體積小、質量輕，可廣泛應用于毫米波平面傳輸線組成的電路中。通過仿真結果表明：在W波段（80～95 GHz）的頻帶范圍內，該過渡結構的回波損耗小于20 dB，插入損耗小于0.4 dB，達到良好的設計指標。