一種平面形式的矩形波導和微帶線集成結構研究

摘 要：通常從微帶線到矩形波導的過渡是通過三維（3D）復雜的安裝結構實現(xiàn)的。現(xiàn)提出一種新的平面結構，將微帶線和矩形波導完全集成在同一襯底上，并通過一個簡單的錐度相互連接。實驗結果表明，在回波損耗為20 dB時，該結構的有效帶寬為12%，帶內(nèi)插入損耗優(yōu)于0.4 dB。新的過渡結構可以在同一襯底上實現(xiàn)波導組件與MIC和MMIC的完全集成。

關鍵詞：矩形波導；微帶線到波導的過渡；集成

中圖分類號：TN63" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2023）14-0029-03

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2023.14.007

0" " 引言

矩形波導可用于設計高Q值的元件，但需要復雜的轉(zhuǎn)換結構實現(xiàn)與平面電路的集成。目前已經(jīng)有一些針對微帶線和矩形波導轉(zhuǎn)換結構的研究，然而，傳統(tǒng)的矩形波導平面結構集成方案體積龐大，通常也需要精密的加工工藝。在毫米波頻段，這類結構很難實現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)。微帶與矩形波導的過渡一般是由兩個或多個模塊組成，需要通過精密的組裝實現(xiàn)，而且需要配備一些調(diào)諧結構設計；此外，平面基板必須被切割成特定的形狀。上述要求都較難實現(xiàn)，也使得集成的成本十分高昂。

一個比較直接的解決方案就是將矩形波導集成到微帶襯底中。這樣設計會因為填充電介質(zhì)、減小體積而減小波導Q值的影響，但是整個電路包括平面電路、轉(zhuǎn)換器和波導都可以使用標準PCB或其他平面加工技術來實現(xiàn)。

本文提出了一種新的微帶線和矩形波導集成形式，其中兩種不同的結構放置在同一軸上，從而減小了過渡所需的總尺寸。這種過渡結構利用一個錐形微帶線來激發(fā)波導模式。在實驗中，波導是在襯底上用線性陣列的金屬化通孔合成的，也可以使用金屬化凹槽實現(xiàn)。由于所有組件都設計在同一襯底上，平面制造技術就可以保證優(yōu)良的機械公差，不需要額外的調(diào)諧設計，這對多層結構特別是低溫共燒陶瓷（LTCC）平臺等多層工藝來說解決了很多難題。

1" " 介質(zhì)集成波導技術理論

基片集成波導（SIW）就是由兩排陣列的金屬通孔或槽連接介質(zhì)基板頂部和底部的金屬接地平面而制成的平面結構，使用SIW技術，非平面的金屬波導可以建模成一個平面的集成波導，從而集成在平面電路上。

2" " 微帶線過渡到矩形波導設計

50 Ω微帶線和波導通過錐形微帶線截面連接，可以單個集成測試，也可以背靠背測試。利用錐度將微帶線的準TEM模式轉(zhuǎn)換為波導中的TE模式[2]。在同一介電襯底內(nèi)從微帶線[3]到矩形波導的擬制轉(zhuǎn)換結構如圖2所示。

微帶線非常適合激發(fā)波導，因為這兩種不同結構的電場方向大致相同，而且它們共享相同的輪廓，如圖3所示。首先，可以通過介電效應和完善的波導理論來確定波導口的尺寸。然后設計錐形部分，使50 Ω微帶的線寬與集成波導的寬度相關聯(lián)。

對于矩形基片集成波導，截止頻率與寬度和高度有關，因此寬度和高度是比較重要的考慮因素。如圖2所示，TE10模式的傳播常數(shù)只與寬度a有關，因此減小波導的高度或厚度b對TE10模式的傳播影響不大。減少尺寸b而使其集成為薄襯底，可以降低微帶線輻射損失。然而，降低高度b會增加微帶線和矩形波導中的導體損耗。在毫米波頻率下，波導截面較小，導體損耗可以控制在相對較低的水平。

矩形波導的側(cè)壁可以通過使用金屬化通孔陣列或金屬凹槽在襯底內(nèi)實現(xiàn)。在H平面中，微帶線的接地面成為波導的一個金屬壁，而錐形微帶部分提供了另一個金屬壁，這樣的排列完成了波導的結構。這種方案適合緊湊型低損耗波導組件，如T型結和濾波器等。

3" " 實驗結果

為了驗證所提出的概念，設計并測試了LMDS頻率范圍內(nèi)的轉(zhuǎn)換。整個結構由兩個背靠背的過渡結構組成，由一個長度為16 mm的集成波導隔開。電路構造在0.254 mm厚的電介質(zhì)襯底上。根據(jù)50 Ω微帶線及19～32 GHz波導口界面設計，結合圖2給出下列尺寸，如表1所示。

平面上的兩個壁由0.762 mm的通孔陣列構成，相鄰兩個通孔之間的間距也是0.762 mm。使用網(wǎng)絡分析儀和測試夾具對電路進行TRL校準。

模擬和實測結果如圖4所示，其中涉及1.524 mm微帶線截面、兩個轉(zhuǎn)換結構和16 mm合成矩形波導。

在26.65～30.20 GHz范圍內(nèi)，兩個背靠背結構回波損耗為40 dB，帶寬達到12%以上；在整個頻帶內(nèi)插入損耗均優(yōu)于0.8 dB。這意味著單個微帶線向矩形波導的過渡結構回波損耗在20 dB左右，插入損耗優(yōu)于0.4 dB。實測的插入損耗有時要比仿真的更好，可能是由于在仿真中使用了制造商給出的基片損耗在10 GHz的正切值。

4" " 結論

本文提出了一種集成微帶線和矩形波導的新型平面結構，它涉及兩種不同結構之間的過渡。該結構允許在同一襯底上設計完全集成的微帶線和波導平面電路，且不需要任何機械組裝或調(diào)諧。樣品的測量結果與仿真結果吻合良好。該方案具有整體集成、體積小、損耗低等優(yōu)點，非常適合毫米波頻率下的電路設計。

[參考文獻]

[1] XU F，WU K.Guided-Wave and Leakage Characteristics of Substrate Integrated Waveguide[J].IEEE Tran-sactions on Microwave Theory and Techniques，2005，53（1）：66-73.

[2] 波扎.微波工程[M].3版.張肇儀，周樂柱，吳德明，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，2015.

[3] 顧繼慧.微波技術[M].北京：科學出版社，2008.

收稿日期：2023-04-14

作者簡介：楊妍（1993—），女，江蘇人，助理工程師，研究方向：微波器件。