Ka波段波導到微帶的對脊鰭線(xiàn)過(guò)渡

1 引言

在毫米波系統中，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(xiàn)都可制作出與之相應的無(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結構為主。隨著(zhù)毫米波集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展，微帶線(xiàn)作為現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用。無(wú)源電路廣泛的應用于微波、毫米波電路中，無(wú)源電路在微波電路中扮演著(zhù)極其重要的角色?？梢杂靡痪湓?huà)來(lái)概括無(wú)源電路，無(wú)源電路就是為了滿(mǎn)足某種傳輸方程而采用的電路形式和微波傳輸系統。而在微波的高端，尤其是毫米波電路，常常采用的是波導、微帶線(xiàn)、鰭線(xiàn)和共面波導。在本論文中主要涉及到波導-對脊鰭線(xiàn)-微帶線(xiàn)的過(guò)渡結構，故本論文主要涉及此方面的理論、電路仿真等內容。

2 過(guò)渡設置

2.1 波導-微帶過(guò)渡結構

目前，所有毫米波檢測設備大多以標準矩形波導作為其輸入的RF接口，因而平面集成電路性能檢測都必須通過(guò)具有帶寬特性的過(guò)渡裝置來(lái)完成。對這些過(guò)渡裝置的基本要求是：

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

（2）裝卸容易，并具有良好的重復性和一致性。

（3）與電路協(xié)調設計，并便于加工制作。

標準的矩形波導與微帶的過(guò)渡結構有多種方式。最常用的是矩形波導-脊波導-微帶、波導-微帶探針-微帶以及波導-對極鰭線(xiàn)-微帶過(guò)渡等。在本論文中我采用的是波導-對極鰭線(xiàn)-微帶的過(guò)渡形式，這種形式的過(guò)渡結構具有頻帶寬、插損小，安裝方便等特點(diǎn)，而且可以通過(guò)調節中間的諧振塊的大小使諧振頻率遠離我們的輸出頻率。

2.2 鰭線(xiàn)的基礎知識

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平面結構——鰭線(xiàn)（Finlines)。把鰭線(xiàn)看成一種準平面結構，是由于它的整個(gè)電路圖形包括有源器件在內都并入在一塊介質(zhì)平板上，而其電路設計又要考慮到金屬波導盒的影響。如果設計得當，就可保證鰭線(xiàn)中傳播的主模為準TE10模。

圖1為經(jīng)典的所示為經(jīng)典的波導－對極鰭線(xiàn)－微帶過(guò)渡。在整個(gè)過(guò)渡段長(cháng)度l內，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，并與波導下部相連，而且其短接點(diǎn)與過(guò)渡相隔一微小距離。過(guò)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，因為在工作頻段內漸變下面的無(wú)金屬區可能出現諧振現象。

圖1 一種對脊鰭線(xiàn)到微帶的過(guò)渡方案

對極鰭線(xiàn)的漸變方式有許多種，包括指數線(xiàn)、拋物線(xiàn)和余弦平方線(xiàn)，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械加工，因而制造成本相對較低，但它的體積相對較大。

2.3 另一種對極鰭線(xiàn)-微帶過(guò)渡方案

圖2所示的過(guò)渡是Van Heuven提出的波導—微帶過(guò)渡的一部分。在這種過(guò)渡結構中，對極鰭線(xiàn)的兩個(gè)金屬鰭逐漸變到一對平行線(xiàn)。對極鰭線(xiàn)的電場(chǎng)線(xiàn)沿漸變段逐漸旋轉并向兩導體條帶之間集中。對稱(chēng)平行線(xiàn)則借助巴倫網(wǎng)絡(luò )與對稱(chēng)微帶匹配。在巴倫段內，上面的導體條帶窄到微帶寬度，并且把槽開(kāi)在接地面一邊，以便與兩條帶阻抗相匹配。微帶接地面與波導下部隔離。這樣，微帶接地面之下的區域就不會(huì )有能量傳輸，因為它的截止頻率遠在波導頻段之上。如圖2-2所示，波導的這部分可以在稍離巴倫段的地方與微帶短接。

圖2 另一種對極鰭線(xiàn)-微帶過(guò)渡方案

3 波導-微帶線(xiàn)對極鰭線(xiàn)過(guò)渡設計及仿真

3.1 過(guò)渡設計

在矩形波導—鰭線(xiàn)過(guò)渡器中，即使鰭線(xiàn)漸變線(xiàn)已實(shí)現最佳設計，漸變段本身也不能提供對矩形空波導的理想匹配，這是因為在漸變段末端的基片與空波導接口處的不連續所致。接口處阻抗不連續性的數值取決于基片厚度d和它的相對介電常數。對極鰭線(xiàn)過(guò)渡段通常采用余弦平方的過(guò)渡形式，其設計公式：

，（1）

式中，w為50微帶線(xiàn)的寬度，z為鰭線(xiàn)傳輸線(xiàn)的縱向坐標；b為波導高度；l為過(guò)渡段長(cháng)度。