一种Ka频段波导微带鳍线转换结构

空间电子技术
98 S PAC E ELEC TRON IC TECHNOLO GY2009年第3期
一种Ka频段波导微带鳍线转换结构
王小伟李家胤周翼鸿
(电子科技大学强辐射重点实验室,成都610054)
摘要为使波导微带转换的尺寸和性能更优,采用HFSS高频仿真软件里的样条曲线做波导微带转换的鳍线渐变曲线,使波导微带转换的过渡长度与采用其他渐变曲线在相同指标情况下相比更短一些。

转换模型中的介质基片向标准矩形波导宽边两侧延伸四分之一波长并在其上各打一行孔径和间距合适的金属填充通孔,这样既便于固定基片,又能提高鳍线电路的隔离度。

使用HFSS软件对该模型进行仿真优化分析后的结果为:在28. 5～39GHz频带内得到大于25dB 的回波损耗和小于0. 1dB 的插入损耗,基本达到预期目的。

关键词波导微带转换样条曲线鳍线通孔
0 引言
随着毫米波技术的不断发展, 毫米波混合集成电路以及单片集成电路越来越多地在无线通信和雷达系统中得到广泛应用。

而现有的毫米波测试系统采用的大多是矩形波导接口,这就要求在使用毫米波单片集成电路的系统中寻找一种低成本、低损耗、易制造的宽带矩形波导到微带的过渡。

对于毫米波电路而言,鳍线就是这样一种能用于波导微带过渡的理想短距离传输线。

它具有色散小、单模带宽宽、插损低(高于波导,低于微带) ,准平面电路结构(可以采用与微波集成电路相类似的印刷技术,生产经济性好) ,与半导体和波导器件的兼容性好,对加工尺寸公差的要求不像波导那样严格等优点,现已在毫米波电路中获得了实际应用[ 1 ] 。

目前常用的过渡结构有: 阶梯脊波导过渡[ 2 ] 、对极鳍线过渡[ 3 ] 、耦合探针过渡[ 4, 5 ] 等。

这些过渡结构带宽较宽,插入损耗小。

其中阶梯脊波导过渡加工复杂;耦合探针过渡因波导出口方向与电路平行,使其不满足很多系统结构的要求;而对极鳍线过
收稿日期: 2008 - 04 - 29; 修回日期: 2008 - 06 - 30 渡,因其可以采用微波印制版技术制作在价廉的基片上,现在已成为一种普遍运用的过渡结构。

文章所设计的是一种对极鳍线过渡结构。

1 过渡结构模型分析
在毫米波混合集成电路中,矩形波导到微带的过渡多通过制作在其之间的对极鳍线来实现。

Dydyk和Moore已研究过一种半径R = 0. 95mm 的53GH z的波导到微带的鳍线过渡结构[ 6 ] ,但由于这种结构形式产生一系列的谐振模式,如果某一谐振频率正好落入与其相连的器件的工作带宽,就可能使其对器件产生偶合,从而影响器件的性能。

文章是在Dydyk和Moore所建模型的基础上设计了一种Ka频段的波导微带转换结构,并对其进行了仿真优化分析。

该过渡模型中心频率为35GH z,所用波导为BJ 2320 ( 7. 112 mm ×3. 556mm )
标准矩形波导, 介质基片为Roger 公司的Duri2 od5880,介电常数为εr = 2. 22, 基片厚度 d = 0. 254 mm。

在这种过渡结构中,两个金属鳍制作在基片两面以组成一圆弧型渐变段。

圆弧之外,一个鳍用作微带接地面,并与波导下部相连,而且其短接点与过渡相隔一微小距离。

图1中对极鳍线的两个金属鳍
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平滑渐变到一对称平行线组成的微带 (通常为 50Ω 的阻抗线 ) 。

对极鳍线的电场线沿渐变段逐渐旋转 并向两导体条带之间集中 。

制作在基片正 、反面的 渐变鳍线构成了一圆弧形谐振区 (图 1 中的 B 部 分 ) 。

谐振区内的金属块 (图 1中的 A 部分 )是用来 抑制谐振的 (示意图如左图 ) , 其中 , X 0 (过渡总长
度 ) 、X 1 (正面金属鳍与波导下部短接长度 ) 、X 2 (谐 振块与短接处间距 ) 、X 3 (谐振区长度 ) 、X 4 (谐振块 的高度 ) 、R 1 (正面圆弧半径 ) 、R 2 (谐振块半径 ) 等
对过渡特性都会产生影响 。

图 1中过渡的前半部分 是一对渐变的对极鳍线 , 它将波导中的 TE 10模旋转 90°变成在对极鳍线重叠部分中的准微带传输模式 , 并且还
将高阻的 TE 10波导模转换到接近标准微带 线的
50Ω。

后半部分则将对极鳍线过渡到标准微带 线 ,电
场线从 A 2A 逐渐变化到 H 2H, 如图 2 所示 。

过 渡中的对极鳍线渐变设计常采用沿渐变方向的平滑 阻抗变换曲线 , 以降低反射损耗 , 并使渐变段的物理 尺寸尽可能短 。

对于渐变曲线的设计已有很多经典 曲线 [ 6, 7 ]
, 比如 :余弦平方线 、指数 、抛物线等等 。

文 章过渡中 的对 极鳍线 渐变设 计采 用 HFSS 中 的 Sp line 曲线 (能方便地通过改变坐标来实现性能优 化并使渐变段的物理尺寸与采用余弦平方等线渐变 相比更短一些 )来实现 , Sp line 曲线在 28. 5 ～39GH z 频带内可实现 25dB 的回波损耗 。

在过渡结构的后 半部分中 ,由于金属腔的存在 , 谐振在这一部分产 生 ,从而影响过渡的性能 。

因为谐振频率主要是由 谐振区域的长度 X 3 决定的 , 所以通过改变 X 3 的长 度 , 可以很方便地使谐振频率发生偏移 , 这样就可以 通过改变 X 3 的长度来控制过渡性能 , 使谐振频率尽 量避开设计中心频率 35GHz,这就保证了在设计要 求的频段内使过渡性能达到一个较好的特性指标 。

此外 ,过渡总长度 X 0 以及谐振区内的金属块与鳍间 的距离 X 2 对过渡性能也有较大影响 。

一般说来 , X 0 的长度越长 , 反射系数越小 , 在可允许的反射系数下 获得最短的过渡长度 [ 8 ]。

2 仿真分析
2. 1 两种模型仿真比较
为了得出适用于工程应用的参考数据 , 为以后
的相关设计提供参考 , 消除不必要的重复设计 , 减少 设计所花费的时间和成本 , 文章在收集到该过渡模 型相关原始数据后 , 根据电磁理论及传输线理论进 行论证 , 然后通过高频仿真软件 HFSS 对该过渡结 构的各部分尺寸变化情况进行优化仿真。

图 1 一种对极鳍线过渡方案
图 2 过渡结构电场分布示意图
进行优化分析过程中需要注意 : 在兼顾插入损 耗和回波损耗的同时过渡长度 X 0 取值要尽可能小 , 谐振区长度 X 3 取太大或太小的值没有实际工程意 义 , 另外 , 剩余变量的取值也要考虑到实际加工的精 度 。

优化过程中当谐振块与正面鳍线短接处之间的 距离 X 2 为介质基片的厚度时 , 传输性能是最好的 , 此时 X 0 = 11mm, X 1 = 5. 6mm , X 2 = 0. 254mm, X 3 = 1.
4mm, X 4 = 0. 75mm, R 1 = 0. 8mm, R 2 = 0. 45mm 为插
入损耗和回波损耗达到最优指标时的各变量优化 值 。

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以下为两种情况下所建模型和仿真结果,此结果均为优化后的结果,其中,第二种模型的基片沿矩形波导宽边向上下两侧延伸并且各打一排通孔,延伸距离W = 1 /4λg , 其中λg =λ0 / εr , 式中λ0为自由空间波长,εr 为相对介电常数。

这样做的好处有二:第一, 便于固定基片于波导中;第二, 减少能量在传输过程中的泄漏, 提高鳍线电路的隔离度[ 8 ] 。

文章是本着加工简单、成本低廉考虑选择使用通孔, 仿真结果表明该方案理论上是可行的。

图 3 基片两侧未向外延伸情况下的仿真模型及仿真结果
从以上两种模型的仿真结果对比可以看出, 第二种模型的回波损耗明显比第一种模型的回波损耗要大, 但是其插入损耗比第一种模型要略微增加, 但总体来说第二种模型要优于第一种模型。

2. 2 第二种模型变化参数分析
现在采用第二种模型进行优化, 除金属填充通孔的半径R 和间距d 变化外, 其他所有参量均为优化后的固定值。

理论上, 金属填充通孔之间的间距越小, 其传输效果就越佳。

最理想的情况是通孔之间的间距为零, 但由于工艺的限制, 实际上很难实现[ 9 ] 。

图 4 基片两侧向外延伸且打孔情况下的仿真模型及仿真结果
图5显示了金属填充通孔的半径和通孔间的间距对过渡的影响。

从图5 的仿真结果可知, 当金属填充通孔之间的间距减小到一定程度时, 继续减小通孔间距对转换的性能改变不大, 甚至可能恶化。

也就是说, 只要选择适当的通孔半径和通孔间距进行综合考虑, 采用第二种模型进行仿真或加工制作, 其传输性能还是能够达到预期指标的。

3 结束语
文章通过HFSS高频仿真软件对对极鳍线波导微带过渡结构进行了仿真,得到了使过渡长度更短的设计曲线和过渡模型以及比较好的回波损耗和插入损耗等指标,有效地减少了能量在传输过程中的损失。

这说明用样条曲线做渐变线和基片两侧打金属填充通孔在很大程度上改善了波导微带转换的传输性能。

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构
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图 5 第二种模型除金属填充通孔半径和间距变化外其他所有参量不变的仿真结果
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作者简介
王小伟1979 年生,硕士研究生。

研究方向: 射频微波电路系统,其中主要做8 毫米射频接收通道部分。

李家胤1944年生,教授。

长期从事863 高技术激光与高功率微波领域的研究工作,现已扩展到高功率微波的系统、效应与应用研究。

周翼鸿1978 年生,讲师。

主要研究方向: 微波与毫米波固态器件研究及毫米波功率合成技术。

102 空间电子技术2009年第3期An Ka Band W aveguide to M icro2Strip Transition W ith Fin2L ine Taper Structure
W ang Xiaowei L i J i ayin Zhou Yihong
(H igh Power Radiation Key Laboratory, University of Electronic Science Technology, Chengdu 610054, China)
Abs tract For the sake of better perfo rm ance and shorter length of waveguide to m icro2stri p transition, a so rt of sp line curve which belongs to HFSS software was used fo r fin2line taper in paper, it does make transition length shorter which was to be compared with using other curves at the sam e goal s. The substrate in the transition model was extended to a quarter of wave2length along the standard rectangular waveguide broad side and two lines of via holes with right aperture and right space2between which would be filled with metal were made in both sides respec2 tively, convenient fo r fixation as well as i m p roving the insulation in the fin2line circuits. Som e data such as above 25dB return l o ss and bel ow 0. 1dB insertion l o ss of transition model between 28. 5GHz and 39GH z was obtained af2 ter the waveguide to transition was si m ulated and op ti m ized analysis by HFSS software. By far, we have achieved o ur expectative targets by and l arge.
Key words W aveguide to m icro2stri p transition Sp line Fin2line V ia hole
(上接第57页)
参考文
献
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作者简介
田栋轩1979年生,西安空间无线电技术研
究所2005级硕士研究生。

研究方向为微波遥感。

张廷新1954 年生, 研究员。

专业为微波遥感。

欧祥荣1939年生,研究员。

主要从事微波
遥感领域的系统设计工作。

Research on Design of Spacebo rne Polarim etric Scatterom eter System
Tian Dongxuan Zhang Tingxin Ou Xiangrong
(Xi′an I nstitu te of Space Radio Techno logy, X i′a n710000, China)
Abs tract In this paper, the background, significance, concep t and characteristic of a spacebo rne polarim tetric scatterom eter are introduced. On the basis of which, som e issues concerning the system mechanis m , the polarim etri c working mode and the system i so lation degree are addressed. Furthermo re, a concep tual system design fram e of a spacebom e polarim etric scatterom eter is p resented.
Key words Scatterom eter Polarim e tric Spacebo r ne System designing。