隨著毫米波技術(shù)在無(wú)線通信和雷達(dá)系統(tǒng)中應(yīng)用的不斷增多，一種十分重要的傳輸媒介——微帶線在現(xiàn)有毫米波集成電路中得到了廣泛的應(yīng)用[1-3]。現(xiàn)在，各種毫米波集成系統(tǒng)之間的連接以及毫米波測(cè)試系統(tǒng)和器件大多仍采用金屬波導(dǎo)結(jié)構(gòu)。因此，波導(dǎo)到微帶過渡結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)劣便成為影響系統(tǒng)特性的關(guān)鍵因素之一。本文主要對(duì)V頻段下波導(dǎo)-對(duì)脊鰭線-微帶過渡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)。
1 波導(dǎo)-微帶的對(duì)脊鰭線過渡的基本原理
　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(lái)完成。對(duì)這些過渡裝置的基本要求是[4]：
　(1)能夠完成需要過渡轉(zhuǎn)換的兩種微波傳輸線之間的模式轉(zhuǎn)換；
　(2)在所需頻率的帶寬范圍內(nèi)，阻抗匹配要好；
   (3)電路結(jié)構(gòu)便于加工制作，尺寸小；
   (4)裝卸容易，具有良好的重復(fù)性和一致性。
　波導(dǎo)到微帶的過渡要求傳輸損耗低，駐波小，回波損耗小，應(yīng)有足夠的頻帶寬度，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，加工和安裝容易。MEIER P J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[5]。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。對(duì)脊鰭線模型具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、插損小、安裝方便等特點(diǎn),過渡方向與電路一致,在寬頻帶內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)較好的過渡性能，而且可以通過調(diào)節(jié)中間諧振塊的大小使諧振頻率遠(yuǎn)離輸出頻率，是目前普遍采用的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)。通過適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)，就可保證鰭線中傳播的主模為準(zhǔn)TE10模。
　    圖1所示為經(jīng)典的波導(dǎo)－對(duì)脊鰭線－微帶過渡。在整個(gè)過渡段長(zhǎng)度l內(nèi)，兩個(gè)金屬鰭放置在基片兩面以組成一個(gè)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。
    在波導(dǎo)-對(duì)脊鰭線-微帶過渡電路的實(shí)現(xiàn)中，對(duì)脊鰭線過渡的漸變形式有許多種，例如指數(shù)線過渡、拋物線過渡、余弦平方線過渡等，這幾種漸變線的長(zhǎng)度與反射系數(shù)的模的關(guān)系如圖2所示。其中，在工程上采用余弦平方漸變方式較為普遍。
2 V頻段波導(dǎo)-微帶線對(duì)脊鰭線過渡的仿真
2.1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)?著r。對(duì)于毫米波頻段通常使用的RT/Duroid5880介質(zhì)基片，因基片的介電常數(shù)和厚度都較小，不連續(xù)性的影響不大，在過渡電路的工程設(shè)計(jì)中，可以忽略它的影響。對(duì)脊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[4]為：
 
式(1)中，w為50 Ω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。
　    在設(shè)計(jì)中, 尺寸較大的過渡結(jié)構(gòu)可以保證過渡性能, 過渡的長(zhǎng)度越長(zhǎng)，反射系數(shù)越小。但設(shè)計(jì)人員都希望過渡段越短越好,但尺寸過短又會(huì)因端口的反射系數(shù)較大而導(dǎo)致回波損耗顯著增加。所以這里選擇一個(gè)合理的過渡長(zhǎng)度，在允許的反射系數(shù)下獲得最短的過渡長(zhǎng)度，對(duì)過渡特性有很重要的影響，這里采取折衷的辦法，一般l取1.5 λ0左右。而金屬塊與鰭間的距離大小對(duì)傳輸性能影響不大，但對(duì)回波損耗有明顯的影響。
       對(duì)于V頻段6 mm波導(dǎo)-微帶的過渡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用WR-19（a=4.77 mm,b=2.38 mm）矩形波導(dǎo)，取50 Ω帶線，介質(zhì)基片采用RT-duroid 5880材料（相對(duì)介電常數(shù)εr=2.22）,基片厚度為h=0.254 mm,金屬條帶厚度t=0.017 mm，用軟件算出微帶線寬度w=0.79 mm。
2.2 仿真結(jié)果
    為了對(duì)所構(gòu)建的模型較快應(yīng)用于工程實(shí)踐，利用三維仿真軟件CST Microwave studio對(duì)所設(shè)計(jì)的過渡進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真，設(shè)置中心頻率為60 GHz。仿真模型及結(jié)果如圖3所示。

　　在此基礎(chǔ)上，利用已經(jīng)仿真好的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)單個(gè)波導(dǎo)-對(duì)脊鰭線-微帶過渡構(gòu)建背靠背結(jié)構(gòu)電路模型，如圖4所示。

    從仿真結(jié)果看出，單個(gè)過渡通帶平坦，插入損耗小，在58 GHz～61 GHz頻帶范圍內(nèi)，單個(gè)過渡插入損耗小于0.3 dB，回波損耗大于15 dB；背靠背過渡插入損耗小于0.3 dB，回波損耗大于10 dB。對(duì)比兩個(gè)仿真結(jié)果，單個(gè)過渡的S參數(shù)曲線比較平滑，而背靠背的S參數(shù)S11及S21都出現(xiàn)了波動(dòng)變化，在仿真結(jié)果中出現(xiàn)多個(gè)諧振點(diǎn)。這是因?yàn)閮蓚€(gè)端口反射波的相位不同相互疊加產(chǎn)生的。另外，在仿真結(jié)果不好時(shí)，可以優(yōu)化半圓弧的位置或半徑。在優(yōu)化網(wǎng)格時(shí)，首先可不加密，開始仿真時(shí)如圖5所示，產(chǎn)生一個(gè)粗糙的初始網(wǎng)格結(jié)果，然后再加密，選上Adaptive mesh refinement，在屬性中一般選擇最小2個(gè)passes，最多選4個(gè)passes，如圖6所示。結(jié)果不是很理想時(shí)，還可以對(duì)每一個(gè)參數(shù)進(jìn)行掃描，即選定一個(gè)參數(shù)作為掃描對(duì)象，將該參數(shù)設(shè)定一個(gè)范圍，在該范圍內(nèi)進(jìn)行掃描，從掃描結(jié)果中選出所能達(dá)到的最優(yōu)的仿真結(jié)果，這個(gè)結(jié)果所對(duì)應(yīng)的就是該參數(shù)的最好的值。

    隨著微波毫米波器件的出現(xiàn)和系統(tǒng)越來(lái)越小型化和集成化的要求,尺寸精簡(jiǎn)、性能優(yōu)越的過渡結(jié)構(gòu)越來(lái)越重要。本文利用CST仿真分析了V頻段對(duì)脊鰭線微帶波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)和性能,并對(duì)該電路結(jié)構(gòu)在V頻段進(jìn)行三維電磁場(chǎng)仿真優(yōu)化，能得到理想的尺寸。仿真結(jié)果證明，該結(jié)構(gòu)能在寬頻帶達(dá)到良好的過渡效果，V頻段內(nèi)單個(gè)過渡插入損耗和背靠背過渡插入損耗均小于0.3 dB，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、尺寸小、易于工程上的裝配和批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)。
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