一种E波段耦合微带线和矩形波导转换的设计

王 健，孙泽月，张力维，王晓鹏，姚武生，2

(1.博微太赫兹信息科技有限公司 太未来实验室，安徽 合肥 230088；2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，安徽 合肥 230088)

0 引言

近些年，随着5G通信、77 GHz汽车雷达[1]和人体安检等行业的发展，毫米波系统越来越受到大家的关注。与常见的射频电路和微波电路相比，毫米波电路的尺寸更小，集成度更高，电路之间的耦合及表面波的问题更为突出。为了降低毫米波系统出现电磁兼容问题的几率，在PCB和MMIC中，常用耦合微带线代替常用的微带线或共面波导等平面传输线[2-4]。耦合微带线虽然能够降低电路间的耦合、增加系统的抗干扰能力，但常用仪器设备的接口与耦合微带线不匹配，需要进行接口转换。

目前耦合微带线有2种常见的测试方法[5-6]：一种是耦合微带线转换为2根微带线，然后用探针台通过2根微带线表征耦合微带线的特性；另一种是将耦合微带线转换成一种便于测试传输线，一般使用巴伦结构将耦合微带线转为微带线或共面波导，然后再将微带线或共面波导转换成同轴接口或波导接口。第1种测试方法主要针对MMIC的测试方法，不便于PCB的测试，且对于板级测试成本太高。第2种测试方法比较适合测试板级耦合微带线特性，但中间转换结构多，且常见的巴伦结构带宽窄，在毫米波频段，尤其是50 GHz以上巴伦的设计难度很高。

本文在第2种测试方法的基础上设计了一种E波段转换结构，省去中间的多种传输线转换，通过使用集成鳍线结构直接将矩形波导和耦合微带线进行转换，同时能够很好地抑制耦合微带线的共模。

1 转换结构设计

耦合微带线是由2根或多根彼此靠得很近的微带线构成的导行系统，本文使用的是2根对称放置侧边相互耦合的微带线。它有差模和共模2种模式，这2种模式可以同时在传输线上传输，但只有耦合微带线的差模是减少系统电磁兼容问题所需要的模式。耦合微带线差模和共模的电场分布如图1所示。耦合微带线差模的电场被束缚在顶层2个金属带线之间和介质板中，只有金属边缘部分电场辐射到空间中，而共模金属带线上面的电场很多都辐射到空间内，共模与其他相邻传输线的耦合度以及表面波问题都比差模严重[7-9]。所以在毫米波电路中，耦合微带线常用的工作模式是差模。

图1 耦合微带线的电场分布Fig.1 Electric field distribution of coupled microstrip lines

集成鳍线结构是Meier于1974年作为毫米波集成电路的低损耗传输线而提出的一种准平面传输线，特别适合用作30～100 GHz之间的传输媒介。鳍线是置于TE10模矩形金属波导E平面的槽线，分为单侧鳍线、双侧鳍线、对脊鳍线和绝缘鳍线4种结构，如图2所示。安装时，波导上下宽壁的厚度应设计成λ/4，使基片在波导壁上相当于短路，鳍线的波长比微带线长，因而加工制造比较容易，加工公差要求低，在毫米波频段内都容易用标准矩形波导过渡，而且损耗很低[10]。对脊鳍线常用于微带线和矩形波导的转换[11-12]，它在E平面的不对称性限制了单模的带宽。双侧鳍线的电场主要集中在2个金属带线之间，绝缘鳍线只有一个金属带线，这2种鳍线的电场与耦合微带线差模的电场相差很大，很难实现电场的匹配。而单侧鳍线的电场与耦合微带线的电场最为相近，因此选择单侧鳍线作为耦合微带线和矩形波导的转换形式。

图2 鳍线的分类Fig.2 Classification of fin lines

利用鳍线的特性设计了一种耦合微带线和矩形波导的转换，转换结构示意和区域划分如图3所示。

图3 转换结构示意和区域划分Fig.3 Schematic diagram of transformation structure and region division

PCB的板材选用罗杰斯4350，介电常数为3.66，厚度为254 μm，矩形波导为E波段标准波导WR12，PCB放置在矩形波导E面中心，有2排沿着波导壁排列的接地孔连接PCB顶层和底层的导体，与波导壁形成电壁。接地孔与波导壁之间存在一定的距离，形成凹槽，对转换结构的带宽影响很大。在PCB的顶层，2根耦合金属带线外侧通过半圆结构与波导侧壁相连，金属带线的内侧通过对称的渐变曲线连接到矩形波导侧壁。在PCB底层，伸入波导内部的结构整体呈锥形结构，两侧是通过半圆结构与波导壁连接，中间的锥形由2条曲线相对形成。PCB底层和顶层4个半圆的相对位置主要是用来调节转换结构的谐振点，底部的锥形结构用来匹配耦合微带线的阻抗和矩形波导的阻抗，实现2种传输线的阻抗匹配。

转换结构中曲线常用的形式有指数、余弦平方和抛物线型等。本文使用的曲线形式是多点拟合的曲线，相比较其他的鳍线形式，灵活性强，在调节过程中的自由度大，可以分段调试，能快速匹配耦合微带线和矩形波导。根据转换结构的电场分布，将转换结构分为图中的4个区域：耦合微带线区(区域 Ⅰ)、阻抗匹配区(区域Ⅱ)、电场匹配区(区域Ⅲ)和矩形波导区(区域Ⅳ)4部分，如图4所示。

图4 转换结构各区域的场分布Fig.4 Field distribution in different regions of the transformation structure

区域Ⅰ的电场为耦合微带线的差模电场。在区域Ⅱ中耦合微带线的地面逐渐减小，差模垂直方向的电场开始旋转[13-15]，在区域Ⅱ和区域Ⅲ的边界处，耦合微带线垂直方向的电场变为水平方向，指向变为从一个金属带线指向另外一个金属带线，而波导中其他部分电场也以相同的方向从波导壁的一侧指向另一侧，随着与介质基板的距离增加而逐渐减弱，在区域Ⅲ中旋转后的电场与矩形波导的主模TE10电场通过介质基板渐变的金属带线与矩形波导的电场匹配。在整个转换结构中，不但矩形波导的电场和耦合微带线差模的电场实现匹配，同时也将波导的阻抗与微带线差模的阻抗相匹配。

2 仿真和测试

根据转换结构建立耦合微带线转波导的仿真模型，经过优化仿真后，多点拟合的转换结构总长度为4.1 mm，耦合微带线转矩形波导的仿真结果如图5所示。

图5 耦合微带线转波导的仿真结果Fig.5 Simulation results of coupled microstrip line- to-waveguide

在整个频段内，矩形波导端口和耦合微带线差模的回波损耗在11 dB以上，在77 GHz附近，回波损耗更是达到20 dB以上，而整个E波段内耦合微带线的共模回波在1.2 dB以内。耦合微带线差模和波导主模的传输损耗在0.8 dB左右，对共模的抑制度大于56 dB，说明矩形波导输入的总能量约有83%传输到耦合微带线的差模，约有百万分之三传输到共模。在整个E波段，耦合微带线的2根金属带线的幅度差约为0 dB，相位差在180°±1°以内，说明耦合微带线此时的工作模式为差模，矩形波导和耦合微带线差模匹配良好，同时对耦合微带线的共模抑制很高。

耦合微带线无法直接测量，为了验证该转换结构，设计了一个背靠背的耦合微带转波导结构，仿真及实物如图6所示。PCB被包裹在金属壳体内部，整个仿真模型大致分为耦合微带线、转换结构和波导3部分。为了方便加工和组装，矩形波导的E面和PCB的顶层金属齐平。加工时腔体沿着波导E面中心切割成两部分，上部分包含波导腔和PCB的上腔，下部分包含波导腔和PCB的装载腔。为了验证耦合微带线长度对转换结构驻波的影响，制作了10，30 mm两种长度的耦合微带线。

图6 背靠背的耦合微带转波导Fig.6 Back-to-back coupled microstrip line-to-waveguide

矢量网络分析仪常用的扩频模块是V波段和W波段，一般测量该转换结构需要用E波段转V波段的波导转换和E波段转W波段的波导转换，本文使用E波段的扩频模块直接测试耦合微带线转波导结构，仿真结果和实测数据的对比如图7所示。在60～85 GHz，2种长度的转换结构仿真和测试的回波损耗都在10 dB以上；在74～77.5 GHz，回波损耗在20 dB以上。整个E波段内的插入损耗，10 mm的耦合微带线仿真结果为0.8～2.6 dB，测试结果为1.4～3.9 dB，30 mm的耦合微带线的仿真结果为1.6～5.3 dB，测试结果为3～5.9 dB。从驻波的对比看，仿真和测试的结果一致性很好。但在插入损耗上，测试的结果比仿真高0.6～1.6 dB，这是由于在加工、装配和测试过程中都存在一定的误差，另外仿真时所用的介电常数和损耗角正切是在10 GHz的测试结果，在E波段介质基板的介电常数是未知的，都会导致测试的插入损耗比仿真的结果高。

图7 仿真和实测对比Fig.7 Comparison of simulation and actual measurement

将2种长度耦合微带线背靠背转换结构的插入损耗相减，得到20 mm长度耦合微带线的插入损耗，然后用10 mm长度耦合微带线背靠背转换结构的插入损耗减去20 mm长度耦合微带线插入损耗的一半，最终得到转换结构的插入损耗如图8所示。在60～82.5 GHz，转换结构的插入损耗在0.25～1 dB，在82.5 GHz迅速上升到1.6 dB，然后下降到1 dB，这是由于鳍线结构在改频点附近产生了高次模，导致插入损耗增加。

图8 转换结构的插入损耗Fig.8 Insertion loss of transformation structure

3 结束语

本文设计了一种E波导的耦合微带线和矩形波导转换的结构，该转换结构可以将耦合微带线的差模和矩形波导的主模TE10匹配，同时能够对耦合微带线的共模有很高的抑制。除了在86 GHz附近，在整个频段内转换结构回波损耗在10 dB以上，尤其是在74～77 GHz可以达到20 dB以上，且回波损耗受耦合微带线的长度影响很小，在60～82.5 GHz，插入损耗在0.6±0.4 dB，该转换结构可以用来测量差分馈电的微波器件和天线。

该结构可以有效地解决耦合微带线差模的测试问题，但在实际使用中，耦合微带线若出现转弯现象，这对两金属带线的相位和幅度差值影响很大，因此当这种转换结构和转换的耦合微带线互联工作时，需要做进一步改进。