Ka波段波導(dǎo)到微帶的對(duì)脊鰭線過渡

1 引言

在毫米波系統(tǒng)中，射頻電路都由一些無(wú)源和有源功能部件組成。從原則上講，各種毫米波傳輸線都可制作出與之相應(yīng)的無(wú)源部件。但目前，毫米波頻段的無(wú)源部件還是以矩形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)為主。隨著毫米波集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，微帶線作為現(xiàn)有毫米波集成電路中一種十分重要的傳輸媒介得到了廣泛的應(yīng)用。無(wú)源電路廣泛的應(yīng)用于微波、毫米波電路中，無(wú)源電路在微波電路中扮演著極其重要的角色?？梢杂靡痪湓拋砀爬o(wú)源電路，無(wú)源電路就是為了滿足某種傳輸方程而采用的電路形式和微波傳輸系統(tǒng)。而在微波的高端，尤其是毫米波電路，常常采用的是波導(dǎo)、微帶線、鰭線和共面波導(dǎo)。在本論文中主要涉及到波導(dǎo)-對(duì)脊鰭線-微帶線的過渡結(jié)構(gòu)，故本論文主要涉及此方面的理論、電路仿真等內(nèi)容。

2 過渡設(shè)置

2.1 波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)

目前，所有毫米波檢測(cè)設(shè)備大多以標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)作為其輸入的RF接口，因而平面集成電路性能檢測(cè)都必須通過具有帶寬特性的過渡裝置來完成。對(duì)這些過渡裝置的基本要求是：

（1）傳輸損耗要低，回波損耗要高，應(yīng)該有足夠的頻帶寬度，能夠保證射頻信號(hào)在帶內(nèi)單向低耗的傳輸。

（2）裝卸容易，并具有良好的重復(fù)性和一致性。

（3）與電路協(xié)調(diào)設(shè)計(jì)，并便于加工制作。

標(biāo)準(zhǔn)的矩形波導(dǎo)與微帶的過渡結(jié)構(gòu)有多種方式。最常用的是矩形波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶、波導(dǎo)-微帶探針-微帶以及波導(dǎo)-對(duì)極鰭線-微帶過渡等。在本論文中我采用的是波導(dǎo)-對(duì)極鰭線-微帶的過渡形式，這種形式的過渡結(jié)構(gòu)具有頻帶寬、插損小，安裝方便等特點(diǎn)，而且可以通過調(diào)節(jié)中間的諧振塊的大小使諧振頻率遠(yuǎn)離我們的輸出頻率。

2.2 鰭線的基礎(chǔ)知識(shí)

1972 年P(guān).J. Meier提出了便于制作新型毫米波混合集成電路的準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)——鰭線（Finlines)。把鰭線看成一種準(zhǔn)平面結(jié)構(gòu)，是由于它的整個(gè)電路圖形包括有源器件在內(nèi)都并入在一塊介質(zhì)平板上，而其電路設(shè)計(jì)又要考慮到金屬波導(dǎo)盒的影響。如果設(shè)計(jì)得當(dāng)，就可保證鰭線中傳播的主模為準(zhǔn)TE10模。

圖1為經(jīng)典的所示為經(jīng)典的波導(dǎo)－對(duì)極鰭線－微帶過渡。在整個(gè)過渡段長(zhǎng)度l內(nèi)，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。過渡特性取決于圓弧半徑R。電路中所附加的金屬面S起抑制諧振的作用，因?yàn)樵诠ぷ黝l段內(nèi)漸變下面的無(wú)金屬區(qū)可能出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。

圖1 一種對(duì)脊鰭線到微帶的過渡方案

對(duì)極鰭線的漸變方式有許多種，包括指數(shù)線、拋物線和余弦平方線，其中余弦平方漸變是最為普遍的方式。余弦平方漸變器便于機(jī)械加工，因而制造成本相對(duì)較低，但它的體積相對(duì)較大。

2.3 另一種對(duì)極鰭線-微帶過渡方案

圖2所示的過渡是Van Heuven提出的波導(dǎo)—微帶過渡的一部分。在這種過渡結(jié)構(gòu)中，對(duì)極鰭線的兩個(gè)金屬鰭逐漸變到一對(duì)平行線。對(duì)極鰭線的電場(chǎng)線沿漸變段逐漸旋轉(zhuǎn)并向兩導(dǎo)體條帶之間集中。對(duì)稱平行線則借助巴倫網(wǎng)絡(luò)與對(duì)稱微帶匹配。在巴倫段內(nèi)，上面的導(dǎo)體條帶窄到微帶寬度，并且把槽開在接地面一邊，以便與兩條帶阻抗相匹配。微帶接地面與波導(dǎo)下部隔離。這樣，微帶接地面之下的區(qū)域就不會(huì)有能量傳輸，因?yàn)樗慕刂诡l率遠(yuǎn)在波導(dǎo)頻段之上。如圖2-2所示，波導(dǎo)的這部分可以在稍離巴倫段的地方與微帶短接。

圖2 另一種對(duì)極鰭線-微帶過渡方案

3 波導(dǎo)-微帶線對(duì)極鰭線過渡設(shè)計(jì)及仿真

3.1 過渡設(shè)計(jì)

在矩形波導(dǎo)—鰭線過渡器中，即使鰭線漸變線已實(shí)現(xiàn)最佳設(shè)計(jì)，漸變段本身也不能提供對(duì)矩形空波導(dǎo)的理想匹配，這是因?yàn)樵跐u變段末端的基片與空波導(dǎo)接口處的不連續(xù)所致。接口處阻抗不連續(xù)性的數(shù)值取決于基片厚度d和它的相對(duì)介電常數(shù)。對(duì)極鰭線過渡段通常采用余弦平方的過渡形式，其設(shè)計(jì)公式：

，（1）

式中，w為50微帶線的寬度，z為鰭線傳輸線的縱向坐標(biāo)；b為波導(dǎo)高度；l為過渡段長(zhǎng)度。