波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的觀念設(shè)計(jì)與分析

波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的觀念設(shè)計(jì)與分析

0微波線結(jié)構(gòu)的應(yīng)用隨著rim波技術(shù)的發(fā)展，rim波混合電路和單通道電路在無線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中得到了廣泛應(yīng)用。而現(xiàn)有的毫米波測試系統(tǒng)采用的大多是矩形波導(dǎo)接口,這就要求在使用毫米波單片集成電路的系統(tǒng)中尋找一種低成本、低損耗、易制造的寬帶矩形波導(dǎo)到微帶的過渡。對于毫米波電路而言,鰭線就是這樣一種能用于波導(dǎo)微帶過渡的理想短距離傳輸線。它具有色散小、單模帶寬寬、插損低(高于波導(dǎo),低于微帶),準(zhǔn)平面電路結(jié)構(gòu)(可以采用與微波集成電路相類似的印刷技術(shù),生產(chǎn)經(jīng)濟(jì)性好),與半導(dǎo)體和波導(dǎo)器件的兼容性好,對加工尺寸公差的要求不像波導(dǎo)那樣嚴(yán)格等優(yōu)點(diǎn),現(xiàn)已在毫米波電路中獲得了實(shí)際應(yīng)用。目前常用的過渡結(jié)構(gòu)有:階梯脊波導(dǎo)過渡、對極鰭線過渡、耦合探針過渡等。這些過渡結(jié)構(gòu)帶寬較寬,插入損耗小。其中階梯脊波導(dǎo)過渡加工復(fù)雜;耦合探針過渡因波導(dǎo)出口方向與電路平行,使其不滿足很多系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的要求;而對極鰭線過渡,因其可以采用微波印制版技術(shù)制作在價(jià)廉的基片上,現(xiàn)在已成為一種普遍運(yùn)用的過渡結(jié)構(gòu)。文章所設(shè)計(jì)的是一種對極鰭線過渡結(jié)構(gòu)。1基片漸變結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在毫米波混合集成電路中,矩形波導(dǎo)到微帶的過渡多通過制作在其之間的對極鰭線來實(shí)現(xiàn)。Dydyk和Moore已研究過一種半徑R=0.95mm的53GHz的波導(dǎo)到微帶的鰭線過渡結(jié)構(gòu),但由于這種結(jié)構(gòu)形式產(chǎn)生一系列的諧振模式,如果某一諧振頻率正好落入與其相連的器件的工作帶寬,就可能使其對器件產(chǎn)生偶合,從而影響器件的性能。文章是在Dydyk和Moore所建模型的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了一種Ka頻段的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu),并對其進(jìn)行了仿真優(yōu)化分析。該過渡模型中心頻率為35GHz,所用波導(dǎo)為BJ-320(7.112mm×3.556mm)標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo),介質(zhì)基片為Roger公司的Duriod5880,介電常數(shù)為εr=2.22,基片厚度d=0.254mm。在這種過渡結(jié)構(gòu)中,兩個(gè)金屬鰭制作在基片兩面以組成一圓弧型漸變段。圓弧之外,一個(gè)鰭用作微帶接地面,并與波導(dǎo)下部相連,而且其短接點(diǎn)與過渡相隔一微小距離。圖1中對極鰭線的兩個(gè)金屬鰭平滑漸變到一對稱平行線組成的微帶(通常為50Ω的阻抗線)。對極鰭線的電場線沿漸變段逐漸旋轉(zhuǎn)并向兩導(dǎo)體條帶之間集中。制作在基片正、反面的漸變鰭線構(gòu)成了一圓弧形諧振區(qū)(圖1中的B部分)。諧振區(qū)內(nèi)的金屬塊(圖1中的A部分)是用來抑制諧振的(示意圖如左圖),其中,X0(過渡總長度)、X1(正面金屬鰭與波導(dǎo)下部短接長度)、X2(諧振塊與短接處間距)、X3(諧振區(qū)長度)、X4(諧振塊的高度)、R1(正面圓弧半徑)、R2(諧振塊半徑)等對過渡特性都會產(chǎn)生影響。圖1中過渡的前半部分是一對漸變的對極鰭線,它將波導(dǎo)中的TE10模旋轉(zhuǎn)90°變成在對極鰭線重疊部分中的準(zhǔn)微帶傳輸模式,并且還將高阻的TE10波導(dǎo)模轉(zhuǎn)換到接近標(biāo)準(zhǔn)微帶線的50Ω。后半部分則將對極鰭線過渡到標(biāo)準(zhǔn)微帶線,電場線從A-A逐漸變化到H-H,如圖2所示。過渡中的對極鰭線漸變設(shè)計(jì)常采用沿漸變方向的平滑阻抗變換曲線,以降低反射損耗,并使?jié)u變段的物理尺寸盡可能短。對于漸變曲線的設(shè)計(jì)已有很多經(jīng)典曲線,比如:余弦平方線、指數(shù)、拋物線等等。文章過渡中的對極鰭線漸變設(shè)計(jì)采用HFSS中的Spline曲線(能方便地通過改變坐標(biāo)來實(shí)現(xiàn)性能優(yōu)化并使?jié)u變段的物理尺寸與采用余弦平方等線漸變相比更短一些)來實(shí)現(xiàn),Spline曲線在28.5~39GHz頻帶內(nèi)可實(shí)現(xiàn)25dB的回波損耗。在過渡結(jié)構(gòu)的后半部分中,由于金屬腔的存在,諧振在這一部分產(chǎn)生,從而影響過渡的性能。因?yàn)橹C振頻率主要是由諧振區(qū)域的長度X3決定的,所以通過改變X3的長度,可以很方便地使諧振頻率發(fā)生偏移,這樣就可以通過改變X3的長度來控制過渡性能,使諧振頻率盡量避開設(shè)計(jì)中心頻率35GHz,這就保證了在設(shè)計(jì)要求的頻段內(nèi)使過渡性能達(dá)到一個(gè)較好的特性指標(biāo)。此外,過渡總長度X0以及諧振區(qū)內(nèi)的金屬塊與鰭間的距離X2對過渡性能也有較大影響。一般說來,X0的長度越長,反射系數(shù)越小,在可允許的反射系數(shù)下獲得最短的過渡長度。2模擬分析2.1仿真結(jié)果分析為了得出適用于工程應(yīng)用的參考數(shù)據(jù),為以后的相關(guān)設(shè)計(jì)提供參考,消除不必要的重復(fù)設(shè)計(jì),減少設(shè)計(jì)所花費(fèi)的時(shí)間和成本,文章在收集到該過渡模型相關(guān)原始數(shù)據(jù)后,根據(jù)電磁理論及傳輸線理論進(jìn)行論證,然后通過高頻仿真軟件HFSS對該過渡結(jié)構(gòu)的各部分尺寸變化情況進(jìn)行優(yōu)化仿真。進(jìn)行優(yōu)化分析過程中需要注意:在兼顧插入損耗和回波損耗的同時(shí)過渡長度X0取值要盡可能小,諧振區(qū)長度X3取太大或太小的值沒有實(shí)際工程意義,另外,剩余變量的取值也要考慮到實(shí)際加工的精度。優(yōu)化過程中當(dāng)諧振塊與正面鰭線短接處之間的距離X2為介質(zhì)基片的厚度時(shí),傳輸性能是最好的,此時(shí)X0=11mm,X1=5.6mm,X2=0.254mm,X3=1.4mm,X4=0.75mm,R1=0.8mm,R2=0.45mm為插入損耗和回波損耗達(dá)到最優(yōu)指標(biāo)時(shí)的各變量優(yōu)化值。以下為兩種情況下所建模型和仿真結(jié)果,此結(jié)果均為優(yōu)化后的結(jié)果,其中,第二種模型的基片沿矩形波導(dǎo)寬邊向上下兩側(cè)延伸并且各打一排通孔,延伸距離W=1/4λg,其中λg=λ0/εr??√λg=λ0/εr,式中λ0為自由空間波長,εr為相對介電常數(shù)。這樣做的好處有二:第一,便于固定基片于波導(dǎo)中;第二,減少能量在傳輸過程中的泄漏,提高鰭線電路的隔離度。文章是本著加工簡單、成本低廉考慮選擇使用通孔,仿真結(jié)果表明該方案理論上是可行的。從以上兩種模型的仿真結(jié)果對比可以看出,第二種模型的回波損耗明顯比第一種模型的回波損耗要大,但是其插入損耗比第一種模型要略微增加,但總體來說第二種模型要優(yōu)于第一種模型。2.2金屬填充通孔間距現(xiàn)在采用第二種模型進(jìn)行優(yōu)化,除金屬填充通孔的半徑R和間距d變化外,其他所有參量均為優(yōu)化后的固定值。理論上,金屬填充通孔之間的間距越小,其傳輸效果就越佳。最理想的情況是通孔之間的間距為零,但由于工藝的限制,實(shí)際上很難實(shí)現(xiàn)。圖5顯示了金屬填充通孔的半徑和通孔間的間距對過渡的影響。從圖5的仿真結(jié)果可知,當(dāng)金屬填充通孔之間的間距減小到一定程度時(shí),繼續(xù)減小通孔間距對轉(zhuǎn)換的性能改變不大,甚至可能惡化。也就是說,只要選擇適當(dāng)?shù)耐装霃胶屯组g距進(jìn)行綜合考慮,采用第二種模型進(jìn)行仿真或加工制作,其傳輸性能還是能夠達(dá)到預(yù)期指標(biāo)的。3減少能量在傳輸過程中的損失的有