一种新型毫米波差分线和基片集成波导结构转换设计

陈会永，王晓鹏，孙泽月，王 健，陈 林，姚武生,2

（1.博微太赫兹信息科技有限公司太未来实验室，合肥 230088；

2.中国电子科技集团公司第三十八研究所，合肥 230088）

1 引言

近年来，毫米波技术得到了广泛的应用，包括5G移动通信技术[1]、人体安检[2]、医疗成像[3]、毫米波雷达探测[4]、军用毫米波战略通信等多个领域，在民用和军用领域都发挥着至关重要的作用。

差分线是一对信号幅值相同、相位相反、存在耦合的对称传输线，由于其具有高稳定性、可降低电路间耦合、增加系统抗干扰能力的特点，在工程中常被作为一种毫米波段传输线。但是常用射频输出无源器件的接口与差分线不匹配，需要进行转换[5-7]，虽然这些转换结构性能良好，但是都无法在平面上进行转换，不适用于集成系统。而基片集成波导（Substrate Integrated Waveguide,SIW）是一种利用金属化通孔阵列实现的导波结构，其低损耗介质上下底面为金属层，可以利用PCB工艺精确实现，具有低插入损耗、高Q值、易集成等优点，目前广泛应用于微波毫米波系统[8-10]。由于差分线转SIW结构可完全实现PCB的集成，但是目前在PCB内实现差分线与SIW之间转换的设计较少，文献[11]提出了一种设计方案，差分线与SIW结构在平面内垂直转换，通过差分线在SIW传输方向的间距，来实现180°相位转化，工作带宽宽，但是由于这种结构差分线与SIW传输方向垂直，所占空间位置大，且该结构必须为多层板设计，增大了加工难度和成本。

在实际工程应用中，射频前端系统会经常存在差分线的输入端与射频前端的输出端呈一定夹角的情况，这在一定程度上会造成共模噪声恶化、插入损耗变大、器件体积增大等情况，增大了相应匹配结构的设计难度。本文提出一种差分线与基片集成波导的转换结构，所占空间小，且为双层板设计，易实现、加工成本低、集成度高。

2 结构设计与分析

2.1 结构设计

本文提出的新型毫米波差分线和SIW结构转换设计如图1所示，介质板为Rogers 4350B，相对介电常数为3.66，厚度为0.254 mm。从电场传输的方向来看，先由差分线过渡到SIWTE20模式，再转为SIWTE10模式，其中TE10模式、TE20模式的SIW为本结构的设计关键。

图1 新型毫米波差分线和SIW结构转换设计

SIW是类波导结构，只传输TEn0（n=1，2，3，...）模，其中SIW的主模是TE10模。TE10模和TE20模的截止频率fc(TE10)和fc(TE20)分别为[12]：

其中，d是金属通孔直径，b是相邻两个金属化通孔之间的间距，c0表示空气中的光速，εr表示相对介电常数，W表示SIW的宽度。由式（1）（2）可知，SIW宽度决定了TE10模和TE20模的截止频率。

由式（1）（2）计算得到TE10模式和TE20模式的SIW宽度。TE20模转为TE10模SIW结构，SIW宽度减小，TE10模SIW结构尺寸除了要确保工作范围内低频电场可以通过，还要抑制TE20模的传输。

确定好SIW的尺寸之后，与电场传输方向夹角为45°方向的差分线如何有效地过渡到SIW，也是本文设计的难点所在。图1中的差分线渐变分开，且保持一定夹角，转换到TE20模式的SIW，该处转弯结构设计有效且巧妙地实现了差分线45°的电场传输方向初步转换到垂直传输方向。其中，为匹配SIW阻抗，差分线过渡渐变结构宽度由0.28 mm增加到0.35 mm，且在渐变处进行倒角处理，以减小电流的不连续分布。

TE20模转TE10模SIW结构通过3处相移金属通孔，不仅能实现SIW由TE20模转为主模TE10，还将45°的场传输方向完全转为垂直传输方向，相移金属通孔数量、位置分布对相位移动起决定性作用。

2.2 性能分析

本文设计的转换结构建模分析结果如图2所示，在69～81 GHz内，转换结构的回波损耗高于13.4 dB，插入损耗在1.4 dB以内。

图2 毫米波差分线转SIW结构的反射系数S11和插入损耗S21

为验证SIW结构内部传输的电场特性，对差分线端口以相等幅度、180°相位差进行馈电，70 GHz处的电场幅度和矢量分布如图3所示。为实现将45°方向的差分传输线输入、SIW垂直输出，TE20模SIW有一定的变形设计，其内部TE20模式电场传输见图中虚线处，TE20模SIW两侧电场强度相等、方向相反，符合TE20模式电场传输特征。

图3 70 GHz处SIW结构内部传输的电场特性

SIW结构TE20模转TE10模的过程中，会产生共模噪声。图1中位于SIW中间一排的金属通孔对共模噪声起到抑制作用，主要通过金属通孔的数量、位置分布来提高共模抑制比。本文的设计是将差分信号转换为SIW的TE10模式，设差分信号馈入端口为端口1，SIWTE10模式输出端口为端口2，而共模的存在会导致共模也传输到端口2，结构参数不仅对差模产生影响，也对共模产生影响，为从根本上减小共模信号对差模信号的干扰，本文以共模到端口2的传输系数Sc21与差模到端口2的传输系数Sd21之差作为衡量标准，Sc21-Sd21越低，共模抑制效果越好。

以其中一个共模抑制金属通孔为例，其位置如图1所示，对金属通孔的直径、位置进行分析。图4（a）为金属通孔直径对共模噪声的影响，随着通孔直径的增大，Sc21-Sd21在低频、高频处均会增大，也即低频、高频处共模抑制效果变差，工作带宽减小。考虑到金属通孔直径的最小加工尺寸，该处采用的是直径为0.2 mm的金属通孔。共模抑制金属通孔与电场传输方向垂直、水平位置的变化对共模噪声的影响如图4（b）（c）所示，金属通孔的位置对共模噪声的抑制有重要影响。从图4（b）可以看出，通孔与本列第一个通孔之间间距dy1=2.25 mm时，Sc21-Sd21在69.0～78.5 GHz频段内都保持最低，高频处有一定的上升，但是仍可正常工作，因此最佳垂直方向间距为2.25 mm；从图4（c）可以看出，通孔与中间通孔之间水平间距dx1为0.06 mm和0.12 mm时，Sc21-Sd21在整个工作频段内较低，但由于在水平位置偏离过多，会在一定程度上恶化结构驻波，因此最佳水平间距为0.06 mm。

图4 金属通孔对共模噪声抑制的影响

3 仿真和测试

由于图1所设计的结构为系统中的过渡件，无法进行直接测试，因此需要设计测试工装结构，将图1的差分线输入、SIW输出端口分别转为波导输入、波导输出端口，以便对图1的转换结构进行性能测试。含工装测试结构的总模型如图5所示，从电场的传输方向来看，传输结构依次为波导-差分线-SIW-波导，其中，涉及到的转换结构依次为波导转差分线结构、差分线转SIW结构、SIW转波导结构。图5（a）～（c）中虚拟分割线1为波导转差分结构与本文设计的差分线转SIW结构之间的分界线，虚拟分割线2为本文设计的差分线转SIW结构与SIW转波导结构之间的分界线。

图5 含工装测试结构的总模型

结构的变化包括金属壳体内腔体的尺寸改变及PCB刻蚀图形的改变。

（1）金属壳体内腔体尺寸的改变，从图5（a）中虚拟分割线1可以看到，金属内腔体从标准波导改变为宽度更大的空气腔，该空气腔位于金属导带正上方，是为了给金属导带辐射预留一定自由空间，且腔体均做了倒角处理；虚拟分割线2处金属腔体由于仅存在装配PCB的卡槽，没有发生变化；SIW转波导中的波导与输出波导尺寸保持一致，均为标准波导。

（2）PCB图形的改变如图5（b）所示，介质基板顶层金属由一对具有一定张角的金属结构转换为差分线，底层金属由“楔形”结构渐变为金属地，该处PCB图形的设计实现了波导中“TE波”到微带线“TEM波”的转换。图5（c）中，介质基板顶层、底层金属刻蚀图形呈中心对称折线结构，实现了SIW的“类波导”结构到波导的转换。

对图5（a）结构进行加工，实物样品如图6（a）（b）所示，金属下壳体内留有卡槽，用于装配PCB板，上下金属壳体留有销钉、螺纹孔，金属壳体两侧分别设计有法兰，以便进行装配和测试。

图6 实物样品

对图5（a）中总仿真模型进行仿真分析，针对测试工装尺寸参数（波导转差分线结构、SIW转波导结构）进行阻抗匹配优化，并对实物样品进行测试，仿真和测试结果如图7所示。在68～80 GHz内，仿真回波损耗高于10 dB，仿真插入损耗在2.4 dB以内，测试回波损耗高于10 dB，测试插入损耗低于3.39 dB。整个频段内，插损平坦度高，性能稳定。在69.3～73.2 GHz以及75.9～76.8 GHz内，回波损耗高于15 dB，插入损耗在2.9～3.1 dB之间。仿真和实测结果的曲线走向趋势基本一致，但是插损实际测试结果要高于插损仿真结果，插损恶化的原因主要有：（1）PCB图形刻蚀及金属过孔存在加工误差、金属壳体加工存在误差；（2）存在装配误差，PCB与金属壳体装配时，存在配高、对齐误差，且金属过孔工艺造成PCB顶层及底层敷铜厚度增加，这导致上下壳体合盖时会存在缝隙。在毫米波阶段，波长小、器件结构尺寸很小，加工精度和装配精度的不足都会导致测试结果的恶化。

图7 转换结构（含测试工装）的仿真与测试结果对比

表1为近几年差分线与单端口转换结构性能指标对比。文献[5]为差分线转波导结构，虽然其转换插损低，但是很难适应目前高集成度的微波毫米波系统，文献[11]为多层板设计，加工难度大、成本高，文献[13]中的巴伦设计，加工难度低、成本小，输入端口垂直于输出端口方向，会增大系统集成的体积。本文设计的共模抑制性能较好，共模抑制带宽可覆盖结构的工作带宽，且具有易集成、加工难度低、工作带宽宽等优点，适用于目前高度集成化的微波毫米波宽带系统。

表1 差分线与单端口转换结构的性能对比

4 结束语

本文提出了一种新型毫米波段差分线转基片集成波导结构，并对转换结构进行了仿真分析以及加工验证。测试结果显示，在68～80 GHz整个工作频段范围内，输入、输出端口反射系数均低于-10 dB，插入损耗低于3.39 dB。此外，本文为工程中常见的差分线输入端与射频前端输出端呈一定夹角的情况提供了一种新的转换结构设计方案，该设计结构紧凑、加工难度小、成本低，具有实现未来毫米波系统的高度集成化的潜力。