W波段对脊鳍线波导微带过渡设计与实现

荀 民 赵宇博

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

波导到微带的过渡形式多种多样，常见的形式主要有微带探针过渡，对脊鳍线过渡，脊波导过渡等，在不同的应用环境下三种过渡形式在电性能方面都各有特色，但微带探针过渡实现的带宽较窄，微带探针过渡和脊波导过渡需要较高的结构加工精度和装配精度。综合来看，对脊鳍线结构的波导微带过渡具有良好的宽带特性，对结构加工和装配精度要求相对较低，而且该结构形式便于在系统中集成应用，这里使用该结构实现了一款80GHz-100GHz的超宽带波导到微带过渡，具有较强的实用价值[1-2]。

1 对脊鳍线的设计

正反面电路如图1所示，其中区域1为波导到微带过渡的过渡区域，区域2为调谐区域，其中S为调谐块，用于控制谐振点位置，区域3为微带电路。W为50Ω带线，b为波导窄边。

金属鳍线被制作于介质基片的两面，区域1当中，实现了从波导电场到微带准TEM的模式转变，在L区域当中入射波从TE10模转变为TEM模，从高阻转为低阻，模式转换过程见图2[3-5]。

2 W波段对脊鳍线过渡设计

鳍线过渡方式多种多样，包括余弦平方曲线，指数函数曲线，双指数函数曲线，

余弦平方曲线：

d(z)=b-(b-s)sin2(πz/2L)

(1)

单指数和双指数函数曲线：

d(z)=s-(b-s)(1-z/L)t

(2)

(3)

其中L代表过渡段的长度，b代表的是波导窄边的宽度，s代表微带线的宽度。

过渡电路的形式不仅要考虑性能指标，同时也要考虑过渡设计的复杂度和时间成本，使用HFSS软件中的Spline曲线可以方便快捷地设计出低差损的高性能的波导到微带过渡，成为本设计的选择。

本设计选择了罗杰斯公司的高频材料RT5880作为基板板材，它的介电常数是2.2，基板的板厚为0.127mm；选择标准波导尺寸，波导窄边1.27mm，波导宽边2.54mm；微带线的宽度尺寸为0.38mm，见图3所示。仿真结果如图4所示，从结果可以看出80GHz-100GHz范围内，S21小于0.2dB，S11大于17dB，转换性能良好，由于W波段测试系统都是标准波导接口，为了便于对实物进行测试，这里对背靠背结构进行了仿真及优化，模型及结果如图5，图6所示，在80GHz-100GHz范围内，S21小于0.5dB，S11大于14dB，性能良好。

在3mm频段由于电尺寸很小，所以对加工精度的要求变得很高。如果不考虑工艺因素的影响，仿真结果再好也没有工程实现价值，因此在建模仿真以及优化的过程中，并没有直接选择最优的优化结果，而是综合考虑印制板加工精度，镀金工艺，装配精度等因素后，选择了对工艺要求较低的仿真优化结果。为了验证装配精度对该结构的过渡模型的影响，分别对印制板铜箔的厚度、波导腔体尺寸加工精度、鳍线区域半径S大小(调谐区域)、印制板装配平整度等4个变量六百多种情况进行了扫参。图7给出了部分半径S取值对驻波的影响曲线。

3 实测结果

图8展示了W波段背靠背过渡结构加工实物图。3mm频段的矢量网络分析仪端口是波导接口，因此实物加工也为背靠背结构波导接口，80GHz～100GHz插入损耗小于0.8dB，故单边过渡插入损耗小于0.4dB。80GHz～100GHz驻波小于1.5dB。实测结果如图9，图10以及图11所示。

4 结束语

文章详细论述了W波段波导对脊鳍线微带过渡的设计方法，从仿真结果的曲线可以看出谐振点出现在109GHz左右，实测谐振点出现在105GHz左右，牺牲了部分带宽。分析谐振点位置的偏差原因，应该是由装配精度及印制板加工精度引起的。在实物验证过程中没有选择仿真最优方案Rs=0.3mm，而是选择对工艺敏感最小方案Rs=0.2mm如图11。使得实物与仿真结果未发生大的偏差。实物测试表明该设计在80GHz～100GHz范围内实现了超宽带波导到微带过渡。性能良好，具有较强的实用意义。