夏侯海

(南京電子技術(shù)研究所， 南京210039)

0 引言

隨著半導(dǎo)體材料和制造工藝的發(fā)展，毫米波單片集成電路的成熟度越來越高，毫米波器件應(yīng)用也越來越廣泛。新一代雷達、電子戰(zhàn)、通信、導(dǎo)引頭等電子系統(tǒng)要求工作在高頻段，具備大帶寬、小型化的特點，毫米波單片集成電路的發(fā)展為這些應(yīng)用需求提供了實現(xiàn)的可能。在實際的工程應(yīng)用中，為了保證系統(tǒng)的長期可靠性，采用毫米波集成電路制作的收/發(fā)模塊需要滿足氣密性指標(biāo)。與同軸電纜相比，低插入損耗的波導(dǎo)傳輸線在毫米波頻段具有明顯的優(yōu)勢，仍然是毫米波電子系統(tǒng)中主要的信號傳輸線［1］。因此，需要研究如何從模塊內(nèi)部氣密地、低損耗地變換到波導(dǎo)接口。

微帶-波導(dǎo)變換以其低損耗的優(yōu)點已經(jīng)被廣泛地用于測試和評價毫米波單片集成電路性能，以及用于連接毫米波混合集成電路和波導(dǎo)器件。目前，常用的變換方法有:脊波導(dǎo)變換［2］、對脊鰭線變換［3］和探針變換［4-5］。為了在寬頻帶獲得優(yōu)良的射頻性能，脊波導(dǎo)變換需要多階臺階結(jié)構(gòu)，在毫米波頻段，對機械加工精度的要求苛刻，同時變換部分體積較大，不利于模塊的小型化。對脊鰭線變換采用印制在介質(zhì)基片上的平面電路過渡到波導(dǎo)腔中，在波導(dǎo)壁上需要一個開放的窗口便于介質(zhì)基片的裝配，很難保證毫米波收/發(fā)模塊氣密性工程應(yīng)用指標(biāo)。探針變換包括微帶耦合型探針變換和同軸耦合型探針變換，前者的物理結(jié)構(gòu)與鰭線變換類似，無法對波導(dǎo)壁的開放窗口進行氣密處理，而同軸探針變換可以解決這個問題。因此，從工程應(yīng)用角度來說，采用同軸探針過渡成為毫米波模塊內(nèi)部微帶平面電路變換到波導(dǎo)接口的首選實現(xiàn)方式。

本文以Ka頻段為例，設(shè)計了一種氣密微帶-波導(dǎo)變換結(jié)構(gòu)。在變換過渡部分采用一段玻璃介質(zhì)同軸金屬探針插入矩形波導(dǎo)H面和一段矩形空氣槽金屬探針搭接50 Ω微帶線實現(xiàn)微帶到波導(dǎo)的阻抗變換。波珠外導(dǎo)體焊接在波導(dǎo)壁的窗口上，以此實現(xiàn)波導(dǎo)腔到微帶腔的氣密封裝。實驗表明:該種變換結(jié)構(gòu)在Ka頻段具有良好的電氣性能，可應(yīng)用于具有波導(dǎo)接口且有氣密性要求的收/發(fā)模塊，同時該結(jié)構(gòu)適用于毫米波其他頻段。

1 理論分析與初始設(shè)計

本文所設(shè)計的微帶-波導(dǎo)過渡變換結(jié)構(gòu)如圖1所示。該結(jié)構(gòu)包含四個部分:微帶線部分、矩形空氣槽金屬探針部分、波珠同軸探針部分和標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)部分。同軸探針插入矩形波導(dǎo)的H面，為了獲得最大的能量耦合，探針位于波導(dǎo)寬邊的中心。同軸探針的外導(dǎo)體與波導(dǎo)壁焊接在一起，金屬探針深入波導(dǎo)部分形成一個輻射天線，波珠內(nèi)導(dǎo)體經(jīng)過一段矩形空氣槽與微帶連接。

圖1 微帶-波導(dǎo)變換結(jié)構(gòu)圖

圖1中參考面T將開放環(huán)境與氣密環(huán)境分割為兩個部分，簡化等效電路如圖2所示。

圖2 簡化等效變換

圖2最右側(cè)的電阻表示圖1波導(dǎo)中探針的下方部分，與它并聯(lián)的導(dǎo)納表示探針上方的一段短路波導(dǎo)，虛框內(nèi)的T型網(wǎng)絡(luò)表征一段容性的金屬柱。Z1為波珠的特征阻抗;Z2為空氣介質(zhì)同軸的特征阻抗;Z0為微帶線的特征阻抗，各段之間的不連續(xù)性用并聯(lián)電納表示。微帶-波導(dǎo)變換的關(guān)鍵就是通過一系列的網(wǎng)絡(luò)變換將微帶線的特征阻抗Z0與波阻抗Zc相匹配。當(dāng)工作頻率確定時，可以選擇合適的波導(dǎo)尺寸使得只有基模TE10能夠傳輸，此時從圖1中參考面T看入波導(dǎo)的輻射阻抗為［6］

其中

式中:Z0為波導(dǎo)填充介質(zhì)的本征阻抗;a和b分別為波導(dǎo)寬邊和窄邊的尺寸;d為探針深入波導(dǎo)的長度;l為探針到波導(dǎo)短路面的距離;Xp為探針對總輸入電抗的歸一化貢獻值，顯然Xp是關(guān)于d的函數(shù)，實際上，它還與探針的直徑和l相關(guān)。從圖2中可以看出，阻抗匹配的關(guān)鍵是將高阻抗的波導(dǎo)阻抗Zc盡可能地變換為低阻抗的Z1，即有如下關(guān)系

由于Z1為同軸波珠的特征阻抗，虛部為零，因此有

由式(6)可知，探針的長度接近工作頻率諧振點長度，因此，設(shè)計時l的初始值可以選為四分之一波導(dǎo)波長。

當(dāng)信號從微帶線傳輸?shù)讲▽?dǎo)方向時，波導(dǎo)內(nèi)的金屬探針在它的周圍激勵起電磁波，一部分電磁波傳向波導(dǎo)短路面，經(jīng)短路面反射回來，與向波導(dǎo)口方向傳輸?shù)碾姶挪ê铣?，?dāng)二者的相位接近時，合成后所得能量較大，信號損耗較小，因此，d的初始值也可以選為四分之一波導(dǎo)波長。

l和d值確定后就可以由式(2)和式(5)得到波珠的特征阻抗。這些初始值都是根據(jù)某個頻率點計算獲得，由這些初始值得到的微帶-波導(dǎo)變換的寬帶頻率響應(yīng)很難保證。在寬頻范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)l和d值后，通常，圖2中的Zi還有剩余電抗存在，因此，我們在波珠的一邊又引入一段矩形空氣槽，阻抗不連續(xù)，阻抗不連續(xù)處會帶來額外的等效電納(或電抗)，可以在更寬的頻帶內(nèi)補償Zi中的剩余電抗，使得微帶-波導(dǎo)變換在寬頻帶內(nèi)獲得良好的電性能?？傮w而言，矩形空氣槽主要有三個作用:(1)波導(dǎo)經(jīng)過同軸探針耦合后，還有剩余電抗存在，影響寬頻帶傳輸性能，矩形空氣槽可以進行電抗調(diào)節(jié)，達到寬帶補償匹配的效果;(2)空氣槽可以起到定位的作用，便于玻璃同軸氣密焊接封裝;(3)與常規(guī)的圓形空氣槽區(qū)別在于:矩形空氣槽對加工精度的要求降低，金屬探針是否處在空氣槽中心對射頻性能的影響敏感度降低。

2 仿真優(yōu)化與實驗驗證

本文以Ka頻段為例對該種變換結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化設(shè)計。選用BJ320標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)作為輸入/輸出口，微帶線的特征阻抗為50 Ω，介質(zhì)基板為RT/duroid 5880(介電常數(shù)為2.2，厚度為0.127 mm)，玻珠的特征阻抗為62 Ω，矩形空氣槽的特征阻抗為50 Ω。為了便于測試驗證，采用背靠背結(jié)構(gòu)，三維簡化模型如圖3所示，圖中微帶部分長為20 mm，對波導(dǎo)的短路面進行了倒角處理，易于加工實現(xiàn)。采用三維電磁仿真軟件HFSS對過度處的尺寸進行了優(yōu)化處理，最終獲得仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看到在26.5 GHz～40 GHz全頻段范圍內(nèi)，回波損耗小于-15 dB。

圖3 氣密型微帶-波導(dǎo)變換模型

圖4 背靠背模型仿真結(jié)果

為了驗證本文設(shè)計結(jié)構(gòu)的可行性，按照圖3所示的三維模型，制作了一對背靠背微帶-波導(dǎo)變換結(jié)構(gòu)件。實際制作的RT/duroid5880基板長度為20 mm，寬度為6 mm，厚度為0.127 mm。同軸探針由玻璃燒結(jié)，滿足工程氣密性指標(biāo)要求。同軸外導(dǎo)體為柯伐合金，裝配時，先將波珠裝入波導(dǎo)壁的開孔處，再進行加熱處理，這樣焊料就能夠沿著焊料導(dǎo)向槽填滿波珠外導(dǎo)體與波導(dǎo)壁之間的縫隙，達到氣密封焊的效果。最后，將基板粘貼在中間殼體里，形成完整的波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)背靠背結(jié)構(gòu)，所得的實物如圖5所示。

圖5 背靠背波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)變換實物

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀E8383B對該變換進行了測試，測試結(jié)果如圖6所示。由測試結(jié)果可知，在整個Ka頻段，插入損耗小于1.5 dB，回波損耗小于-15 dB，測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致。

圖6 變換測試性能

3 結(jié)束語

本文采用波珠設(shè)計了一種微帶-波導(dǎo)氣密型過渡變換結(jié)構(gòu)，通過理論分析獲得該結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位尺寸的初始值。利用三維電磁場。仿真軟件優(yōu)化設(shè)計了一個Ka頻段背靠背波導(dǎo)-微帶-波導(dǎo)變換，并進行了加工、制作和測試驗證。測試結(jié)果與仿真結(jié)果吻合，說明了這種變換結(jié)構(gòu)的有效性。該種變換的低損耗和氣密性，作為毫米波收/發(fā)模塊的接口具有很大的應(yīng)用潛力。

［1］ 薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1998.Xue Liangjin.Foundation for millimeter wave engineering［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1998.

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