Ka波段波导到微带的对脊鳍线过渡

1  引言

在毫米波系统中，射频电路都由一些无源和有源功能部件组成。从原则上讲，各种毫米波传输线都可制作出与之相应的无源部件。但目前，毫米波频段的无源部件还是以矩形波导结构为主。随着毫米波集成电路技术的飞速发展，微带线作为现有毫米波集成电路中一种十分重要的传输媒介得到了广泛的应用。无源电路广泛的应用于微波、毫米波电路中，无源电路在微波电路中扮演着极其重要的角色。可以用一句话来概括无源电路，无源电路就是为了满足某种传输方程而采用的电路形式和微波传输系统。而在微波的高端，尤其是毫米波电路，常常采用的是波导、微带线、鳍线和共面波导。在本论文中主要涉及到波导-对脊鳍线-微带线的过渡结构，故本论文主要涉及此方面的理论、电路仿真等内容。

2  过渡设置

2.1  波导-微带过渡结构

目前，所有毫米波检测设备大多以标准矩形波导作为其输入的RF接口，因而平面集成电路性能检测都必须通过具有带宽特性的过渡装置来完成。对这些过渡装置的基本要求是：

（1）传输损耗要低，回波损耗要高，应该有足够的频带宽度，能够保证射频信号在带内单向低耗的传输。

（2）装卸容易，并具有良好的重复性和一致性。

（3）与电路协调设计，并便于加工制作。

标准的矩形波导与微带的过渡结构有多种方式。最常用的是矩形波导-脊波导-微带、波导-微带探针-微带以及波导-对极鳍线-微带过渡等。在本论文中我采用的是波导-对极鳍线-微带的过渡形式，这种形式的过渡结构具有频带宽、插损小，安装方便等特点，而且可以通过调节中间的谐振块的大小使谐振频率远离我们的输出频率。

2.2  鳍线的基础知识

1972 年P.J. Meier提出了便于制作新型毫米波混合集成电路的准平面结构——鳍线（Finlines)。把鳍线看成一种准平面结构，是由于它的整个电路图形包括有源器件在内都并入在一块介质平板上，而其电路设计又要考虑到金属波导盒的影响。如果设计得当，就可保证鳍线中传播的主模为准TE10模。

图1为经典的所示为经典的波导－对极鳍线－微带过渡。在整个过渡段长度l内，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。过渡特性取决于圆弧半径R。电路中所附加的金属面S起抑制谐振的作用，因为在工作频段内渐变下面的无金属区可能出现谐振现象。

图1  一种对脊鳍线到微带的过渡方案

对极鳍线的渐变方式有许多种，包括指数线、抛物线和余弦平方线，其中余弦平方渐变是最为普遍的方式。余弦平方渐变器便于机械加工，因而制造成本相对较低，但它的体积相对较大。

2.3  另一种对极鳍线-微带过渡方案

图2所示的过渡是Van Heuven提出的波导—微带过渡的一部分。在这种过渡结构中，对极鳍线的两个金属鳍逐渐变到一对平行线。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。对称平行线则借助巴伦网络与对称微带匹配。在巴伦段内，上面的导体条带窄到微带宽度，并且把槽开在接地面一边，以便与两条带阻抗相匹配。微带接地面与波导下部隔离。这样，微带接地面之下的区域就不会有能量传输，因为它的截止频率远在波导频段之上。如图2-2所示，波导的这部分可以在稍离巴伦段的地方与微带短接。

图2  另一种对极鳍线-微带过渡方案

3  波导-微带线对极鳍线过渡设计及仿真

3.1  过渡设计

在矩形波导—鳍线过渡器中，即使鳍线渐变线已实现最佳设计，渐变段本身也不能提供对矩形空波导的理想匹配，这是因为在渐变段末端的基片与空波导接口处的不连续所致。接口处阻抗不连续性的数值取决于基片厚度d和它的相对介电常数。对极鳍线过渡段通常采用余弦平方的过渡形式，其设计公式：

，（1）

式中，w为50微带线的宽度，z为鳍线传输线的纵向坐标；b为波导高度；l为过渡段长度。

过渡段的长度l不能过短，过短时，端口的反射系数较大；也不能过长，因为过长时，电路的损耗较大，只能采取折衷的办法，一般l取1.5左右。这里给出了用于Ka波段26.5~40GHz的过渡结构设计。矩形波导采用WR-28（a=7.112mm, b=3.566mm），微带和鳍线的介质基片都采用RT-duroid 5880材料（相对介电常数=2.2），厚度h=0.254mm，金属条带厚度t=0.017mm，微带宽度w=0.76mm。

3.2  仿真模型及结果

在波导—微带对极鳍线过渡设计好后，我利用仿真软件CST Microwave Studio对所设计的过渡进行了计算机仿真。仿真模型如图1所示。

图3  （a）波导-微带对脊鳍线过渡的CST仿真模型

图3  （b）波导-微带对脊鳍线背靠背CST仿真模型

模型中其它敏感几何参数如表1所示（单位:mm）。

表1  矩形波导-对脊鳍线过渡参数表

名称	尺寸（单位：mm）
50欧姆微带宽	0.76
过渡长度	8
波导宽边	7.112
波导窄边	3.556
阻抗变换微带长	1
微带上边到波导底边距离	2.518
微带下边到波导底边距离	1.398

在利用CST软件对所构建的模型进行求解时，为了获得准确的结果，仿真设置是十分关键的。网格的大小决定了精度，它必须和计算机的计算能力相互折衷。一方面，网格越多就越精确；另一方面，计算大量的网格需用大量的CPU时间和内存，所以，在保证精度的前提下尽量简化网格。

采用CST软件对过渡结构进行S参数仿真，仿真结果如图4所示。

(a)波导-微带对脊鳍线过渡仿真结果

（b）波导-微带对脊鳍线背靠背模型仿真结果

图4

从仿真结果可以看出，通带平坦且插入损耗小，带内无谐振点。结果不好时，可以优化半圆弧的位置或半径。在优化网格时，首先先不加密，产生一个粗糙的初始网格结果，然后再加密，我一般选2-4个passes。

4  结束语

本论文主要是介绍波导-微带对脊鳍线过渡结构，利用CST软件对该电路结构在Ka频段进行仿真优化。该结构能在宽频带达到良好的过渡效果，具有结构紧凑、尺寸小、易于装配和批量生产等优点。