一种气密型毫米波微带-波导变换结构

夏侯海

(南京电子技术研究所， 南京210039)

0 引言

随着半导体材料和制造工艺的发展，毫米波单片集成电路的成熟度越来越高，毫米波器件应用也越来越广泛。新一代雷达、电子战、通信、导引头等电子系统要求工作在高频段，具备大带宽、小型化的特点，毫米波单片集成电路的发展为这些应用需求提供了实现的可能。在实际的工程应用中，为了保证系统的长期可靠性，采用毫米波集成电路制作的收/发模块需要满足气密性指标。与同轴电缆相比，低插入损耗的波导传输线在毫米波频段具有明显的优势，仍然是毫米波电子系统中主要的信号传输线［1］。因此，需要研究如何从模块内部气密地、低损耗地变换到波导接口。

微带-波导变换以其低损耗的优点已经被广泛地用于测试和评价毫米波单片集成电路性能，以及用于连接毫米波混合集成电路和波导器件。目前，常用的变换方法有:脊波导变换［2］、对脊鳍线变换［3］和探针变换［4-5］。为了在宽频带获得优良的射频性能，脊波导变换需要多阶台阶结构，在毫米波频段，对机械加工精度的要求苛刻，同时变换部分体积较大，不利于模块的小型化。对脊鳍线变换采用印制在介质基片上的平面电路过渡到波导腔中，在波导壁上需要一个开放的窗口便于介质基片的装配，很难保证毫米波收/发模块气密性工程应用指标。探针变换包括微带耦合型探针变换和同轴耦合型探针变换，前者的物理结构与鳍线变换类似，无法对波导壁的开放窗口进行气密处理，而同轴探针变换可以解决这个问题。因此，从工程应用角度来说，采用同轴探针过渡成为毫米波模块内部微带平面电路变换到波导接口的首选实现方式。

本文以Ka频段为例，设计了一种气密微带-波导变换结构。在变换过渡部分采用一段玻璃介质同轴金属探针插入矩形波导H面和一段矩形空气槽金属探针搭接50 Ω微带线实现微带到波导的阻抗变换。波珠外导体焊接在波导壁的窗口上，以此实现波导腔到微带腔的气密封装。实验表明:该种变换结构在Ka频段具有良好的电气性能，可应用于具有波导接口且有气密性要求的收/发模块，同时该结构适用于毫米波其他频段。

1 理论分析与初始设计

本文所设计的微带-波导过渡变换结构如图1所示。该结构包含四个部分:微带线部分、矩形空气槽金属探针部分、波珠同轴探针部分和标准波导部分。同轴探针插入矩形波导的H面，为了获得最大的能量耦合，探针位于波导宽边的中心。同轴探针的外导体与波导壁焊接在一起，金属探针深入波导部分形成一个辐射天线，波珠内导体经过一段矩形空气槽与微带连接。

图1 微带-波导变换结构图

图1中参考面T将开放环境与气密环境分割为两个部分，简化等效电路如图2所示。

图2 简化等效变换

图2最右侧的电阻表示图1波导中探针的下方部分，与它并联的导纳表示探针上方的一段短路波导，虚框内的T型网络表征一段容性的金属柱。Z1为波珠的特征阻抗;Z2为空气介质同轴的特征阻抗;Z0为微带线的特征阻抗，各段之间的不连续性用并联电纳表示。微带-波导变换的关键就是通过一系列的网络变换将微带线的特征阻抗Z0与波阻抗Zc相匹配。当工作频率确定时，可以选择合适的波导尺寸使得只有基模TE10能够传输，此时从图1中参考面T看入波导的辐射阻抗为［6］

其中

式中:Z0为波导填充介质的本征阻抗;a和b分别为波导宽边和窄边的尺寸;d为探针深入波导的长度;l为探针到波导短路面的距离;Xp为探针对总输入电抗的归一化贡献值，显然Xp是关于d的函数，实际上，它还与探针的直径和l相关。从图2中可以看出，阻抗匹配的关键是将高阻抗的波导阻抗Zc尽可能地变换为低阻抗的Z1，即有如下关系

由于Z1为同轴波珠的特征阻抗，虚部为零，因此有

由式(6)可知，探针的长度接近工作频率谐振点长度，因此，设计时l的初始值可以选为四分之一波导波长。

当信号从微带线传输到波导方向时，波导内的金属探针在它的周围激励起电磁波，一部分电磁波传向波导短路面，经短路面反射回来，与向波导口方向传输的电磁波合成，当二者的相位接近时，合成后所得能量较大，信号损耗较小，因此，d的初始值也可以选为四分之一波导波长。

l和d值确定后就可以由式(2)和式(5)得到波珠的特征阻抗。这些初始值都是根据某个频率点计算获得，由这些初始值得到的微带-波导变换的宽带频率响应很难保证。在宽频范围内，调节l和d值后，通常，图2中的Zi还有剩余电抗存在，因此，我们在波珠的一边又引入一段矩形空气槽，阻抗不连续，阻抗不连续处会带来额外的等效电纳(或电抗)，可以在更宽的频带内补偿Zi中的剩余电抗，使得微带-波导变换在宽频带内获得良好的电性能。总体而言，矩形空气槽主要有三个作用:(1)波导经过同轴探针耦合后，还有剩余电抗存在，影响宽频带传输性能，矩形空气槽可以进行电抗调节，达到宽带补偿匹配的效果;(2)空气槽可以起到定位的作用，便于玻璃同轴气密焊接封装;(3)与常规的圆形空气槽区别在于:矩形空气槽对加工精度的要求降低，金属探针是否处在空气槽中心对射频性能的影响敏感度降低。

2 仿真优化与实验验证

本文以Ka频段为例对该种变换结构进行了优化设计。选用BJ320标准波导作为输入/输出口，微带线的特征阻抗为50 Ω，介质基板为RT/duroid 5880(介电常数为2.2，厚度为0.127 mm)，玻珠的特征阻抗为62 Ω，矩形空气槽的特征阻抗为50 Ω。为了便于测试验证，采用背靠背结构，三维简化模型如图3所示，图中微带部分长为20 mm，对波导的短路面进行了倒角处理，易于加工实现。采用三维电磁仿真软件HFSS对过度处的尺寸进行了优化处理，最终获得仿真结果如图4所示。从图中可以看到在26.5 GHz～40 GHz全频段范围内，回波损耗小于-15 dB。

图3 气密型微带-波导变换模型

图4 背靠背模型仿真结果

为了验证本文设计结构的可行性，按照图3所示的三维模型，制作了一对背靠背微带-波导变换结构件。实际制作的RT/duroid5880基板长度为20 mm，宽度为6 mm，厚度为0.127 mm。同轴探针由玻璃烧结，满足工程气密性指标要求。同轴外导体为柯伐合金，装配时，先将波珠装入波导壁的开孔处，再进行加热处理，这样焊料就能够沿着焊料导向槽填满波珠外导体与波导壁之间的缝隙，达到气密封焊的效果。最后，将基板粘贴在中间壳体里，形成完整的波导-微带-波导背靠背结构，所得的实物如图5所示。

图5 背靠背波导-微带-波导变换实物

采用矢量网络分析仪E8383B对该变换进行了测试，测试结果如图6所示。由测试结果可知，在整个Ka频段，插入损耗小于1.5 dB，回波损耗小于-15 dB，测试结果与仿真结果基本一致。

图6 变换测试性能

3 结束语

本文采用波珠设计了一种微带-波导气密型过渡变换结构，通过理论分析获得该结构关键部位尺寸的初始值。利用三维电磁场。仿真软件优化设计了一个Ka频段背靠背波导-微带-波导变换，并进行了加工、制作和测试验证。测试结果与仿真结果吻合，说明了这种变换结构的有效性。该种变换的低损耗和气密性，作为毫米波收/发模块的接口具有很大的应用潜力。

［1］ 薛良金.毫米波工程基础［M］.北京:国防工业出版社，1998.Xue Liangjin.Foundation for millimeter wave engineering［M］.Beijing:National Defense Industry Press，1998.

［2］ Zahid Yaqoob Malik，Abdul Mueed，Muhammad Imran Nawaz.Narrow band ridge waveguide-to-microstrip transition for low noise amplifier at Ku band［C］//2009 International Bhurhan Conference on Applied Sciences＆Technology.Islamabad:IEEE Press，2009:140-143.

［3］ 喻梦霞，徐 军，薛良金.毫米波微带波导过渡设计［J］.红外与毫米波学报，2003，22(6):473-476.Yu Mengxia， Xu Jun， Xue Liangjin.Millimeter wave waveguide-to-microstrip transition design［J］.Journal of Infrared and Millimeter Waves，2003，22(6):473-476.

［4］ Xu Jun，Xu Zhitao，Wang Maoyan，et al.Magnetic-coupling based waveguide-to-microstrip transition［J］.Journal of Electronic Science and Technology，2011，9(2):185-189.

［5］ 林 勇，何庆国.W频段微带-波导转换［J］.半导体技术，2008，33(7):603-605.Lin Yong，He Qingguo.Microstrip to waveguide transform at W band［J］.Semiconductor Technology，2008，33(7):603-605.

［6］ Collin R E.Field theory of guide waves［M］.NewYork:McGraw-Hill Book Company，1960.