周彪

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第十三研究所 河北省石家莊市 050051）

1 引言

隨著通信技術(shù)的飛速發(fā)展，毫米波頻段的產(chǎn)品應(yīng)用在民用和軍事領(lǐng)域越發(fā)廣泛，如毫米波及太赫茲安檢技術(shù)、自動(dòng)駕駛中的毫米波雷達(dá)、毫米波相控陣?yán)椎?。在高頻系統(tǒng)中，波導(dǎo)傳輸線(xiàn)作為一種低損耗傳輸結(jié)構(gòu)是必不可少的。然而金屬波導(dǎo)是開(kāi)放結(jié)構(gòu)，元器件與外部環(huán)境并沒(méi)有形成隔離，因此基于波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的毫米波系統(tǒng)會(huì)受到外部環(huán)境影響，如灰塵、水汽、鹽霧，這都會(huì)使得電磁波信號(hào)受到衰減并造成元器件腐蝕和金屬腐蝕,進(jìn)而使系統(tǒng)穩(wěn)定性和可靠性受到影響。

波導(dǎo)窗是毫米波系統(tǒng)中的關(guān)鍵器件，可在系統(tǒng)內(nèi)部與外部環(huán)境之間起到緩沖保護(hù)作用，如阻擋環(huán)境中灰塵和水汽，為內(nèi)部器件提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的工作環(huán)境。文獻(xiàn)中提到的W 波段波導(dǎo)窗，其特點(diǎn)是在10%的帶寬內(nèi)回波損耗優(yōu)于40dB；文獻(xiàn)提到的波導(dǎo)窗采用環(huán)烯烴共聚物為介質(zhì)窗材料，其特點(diǎn)是在49%的相對(duì)帶寬內(nèi)插損小于0.5dB。在這些已提出的波導(dǎo)窗中，其特性均圍繞耐功率、耐熱性、透明度、損耗特性及相對(duì)寬帶等展開(kāi)，對(duì)環(huán)境中的灰塵、水汽有一定的防護(hù)作用，但在極端的氣候環(huán)境下（高濕度、高鹽霧和極端溫度），并不具有絕對(duì)的氣密性、防護(hù)性和穩(wěn)定性等特點(diǎn)，不能保證系統(tǒng)內(nèi)部的元器件不受外部氣候環(huán)境干擾。

本文提出的毫米波波導(dǎo)窗，由兩層陶瓷基片，波導(dǎo)過(guò)渡結(jié)構(gòu)組成，首次采用了高介電常數(shù)、零吸水率的陶瓷材料作為介質(zhì)窗，具有絕對(duì)氣密的特點(diǎn)，大幅提高毫米波系統(tǒng)在高低溫、濕熱、鹽霧等環(huán)境下的穩(wěn)定性和可靠性。此波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)緊湊結(jié)構(gòu)，外形尺寸僅為4.3mm*2.9mm*2.05mm，在-55℃～+85℃的環(huán)境溫度下，46 ～53GHz 頻段內(nèi)回波損耗優(yōu)于15dB，插入損耗小于0.4dB。

2 波導(dǎo)窗理論與設(shè)計(jì)

本文提出的波導(dǎo)窗由陶瓷介質(zhì)、中間空氣腔、匹配段和標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)構(gòu)成。波導(dǎo)匹配段與中間空氣腔位置間放置介質(zhì)窗，簡(jiǎn)化模型如圖1 所示。波導(dǎo)窗中電磁波場(chǎng)分布及反射和透射系數(shù)，可以建立級(jí)聯(lián)傳輸矩陣來(lái)分析。對(duì)n 層窗片結(jié)構(gòu)的輸出窗，第 p 個(gè)填充區(qū)域， 其磁導(dǎo)率和介電常數(shù)為 μp和 εp。假輸出窗的橫向尺寸不變，且窗片介質(zhì)是均勻的。對(duì)第p 區(qū)橫向電場(chǎng)E(x,y,z)和橫向磁場(chǎng)H(x,y,z)分別為：

圖1： 雙層窗片結(jié)構(gòu)輸出窗三維模型

根據(jù)以上推導(dǎo)可知，在已確定各區(qū)波導(dǎo)橫向尺寸一致的情況下，通過(guò)選擇合適的相對(duì)介電常數(shù)ε，ε，ε和介質(zhì)片厚度d，d，d，即可使得r=0，即無(wú)反射傳輸。

本文提出的U 波段波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)如圖2 所示，由標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)、匹配段和陶瓷基片三部分組成。由于第一和三層介質(zhì)為陶瓷，所以相對(duì)介電常數(shù)已確定，ε=ε，中間層介質(zhì)為空氣ε=1，因此通過(guò)確定中間空氣腔、介質(zhì)材料尺寸及波導(dǎo)過(guò)渡段尺寸，即可得到無(wú)反射的低插損傳輸特性。本設(shè)計(jì)中介質(zhì)窗材料為AlN 陶瓷材料，相對(duì)介電常數(shù)為8.8，損耗角正切系數(shù)為0.0001。通過(guò)在三維電磁仿真軟件中建立模型并進(jìn)行仿真驗(yàn)證及優(yōu)化，圖3 為不同空氣腔厚度的波導(dǎo)窗傳輸特性仿真結(jié)果，空氣腔厚度越大，插損越小，回波損耗越好，工作帶寬越小。圖4 為不同匹配波導(dǎo)長(zhǎng)度的波導(dǎo)窗傳輸特性仿真結(jié)果，匹配段越短，波插損越小，回波損耗越好，工作帶寬越小。因此要綜合考慮工作帶寬和插損的關(guān)系，選擇最優(yōu)的尺寸。本文中波導(dǎo)窗剖視圖如圖2b 所示，U 波段標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口橫向尺寸為a0=4.775mm，b0=2.775mm；中間層空氣腔尺寸a1=2.1mm，b1=2.1mm，z1=1.1mm；波導(dǎo)過(guò)渡段尺寸為a2=2.5mm，b2=4.4mm，z2=0.25mm。優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖5 所示，在46-53GHz 內(nèi)，回波損耗優(yōu)于-20dB，插損小于0.1dB。

圖2： 波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)模型

圖3： 不同空氣腔厚度下的傳輸系數(shù)

圖4： 不同匹配腔長(zhǎng)度下的傳輸系數(shù)

圖5： 波導(dǎo)窗優(yōu)化后仿真結(jié)果

3 波導(dǎo)窗的加工與測(cè)試

圖6(a)為密封安裝結(jié)構(gòu)示意圖，實(shí)際加工后頻率覆蓋20GHz～100GHz 的系列波導(dǎo)窗實(shí)物如圖6(b)所示，仿真模型中的空氣腔和波導(dǎo)過(guò)渡段完全由一個(gè)鍍金結(jié)構(gòu)組成，兩片陶瓷介質(zhì)窗焊接到鍍金結(jié)構(gòu)的兩側(cè)，然后整體焊接到標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口端面，焊接區(qū)域的波導(dǎo)尺寸比標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)尺寸略大，焊接區(qū)域向盒體內(nèi)部為標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)，整個(gè)結(jié)構(gòu)焊接完成后，可直接與標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)對(duì)接，進(jìn)行測(cè)試。

圖6： 波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)示意圖及加工實(shí)物

如圖7 所示為實(shí)際測(cè)試結(jié)果，46-53GHz 頻段內(nèi)，回波損耗優(yōu)于15dB，插損小于0.4dB。實(shí)測(cè)與仿真對(duì)比發(fā)現(xiàn)，回波損耗基本吻合，插損增大0.2dB，頻帶未偏移，滿(mǎn)足實(shí)際工程使用需求。實(shí)測(cè)與仿真出現(xiàn)偏差，主要由以下兩個(gè)原因?qū)е拢?/p>

圖7： 仿真與實(shí)測(cè)結(jié)果

（1）在仿真過(guò)程中，金屬腔體的材料設(shè)置為理想導(dǎo)體，但實(shí)際加工的金屬表面不平整，實(shí)際插損變大。

（2）波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)的兩次對(duì)位焊接中，微組裝精度有限，各結(jié)構(gòu)間對(duì)位會(huì)出現(xiàn)誤差，實(shí)際插損變大。

4 結(jié)論

本文提出一種應(yīng)用于U 波段的波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)，采用完全無(wú)吸水率的陶瓷基片作為介質(zhì)窗材料，首次在采用高介電常數(shù)介質(zhì)情況下，實(shí)現(xiàn)了低損耗、氣密的波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)。經(jīng)測(cè)試驗(yàn)證，該波導(dǎo)窗在-55℃～+85℃的環(huán)境溫度下，在46 ～53GHz頻段內(nèi)回波損耗優(yōu)于15dB，插入損耗小于0.4dB，且其絕對(duì)氣密性不產(chǎn)生變化。此波導(dǎo)窗結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸性能優(yōu)異，解決了波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的毫米波器件及系統(tǒng)的氣密性問(wèn)題，大幅提升了使用波導(dǎo)傳輸結(jié)構(gòu)的毫米波系統(tǒng)在不同環(huán)境下的穩(wěn)定性與可靠性，也為更高頻段的波導(dǎo)窗設(shè)計(jì)提供了設(shè)計(jì)思路。