一種新型的波導—微帶密封過渡結構

1 引言

電磁信號在不同傳輸媒介之間的轉換一直是微波和毫米波技術研究的重要內(nèi)容。在毫米波頻段，為便于測試、天饋以及獨立微帶電路之間的連接，常常需要將微帶電路輸入、輸出端口通過轉換結構過渡到矩形波導。在需要將信號作一段距離的傳輸時，也經(jīng)常將電路從微帶轉換至波導，以降低傳輸損耗。因而采用微帶的毫米波集成電路往往都必須包含波導—微帶過渡接口。

在實際應用中，過渡器的一個不可忽視的附加因素是氣密要求。很多微帶電路，特別是軍用微帶電路，為保證能在各種惡劣環(huán)境條件下性能的穩(wěn)定性，對系統(tǒng)的氣密性提出了更高的要求。另外，目前的微波毫米波電路正在向小型化的趨勢發(fā)展，為了便于整體電路的小型化設計，過渡器的體積和接口方向也成為一個重要的考慮因素。目前常用的矩形波導—脊波導—微帶過渡、波導—微帶探針過渡和波導—對極鰭線—微帶過渡結構都不能很好的解決氣密的問題，而且波導上開口較大，對矩形波導內(nèi)的場分布也將產(chǎn)生較大的擾動。波導—同軸探針—微帶過渡常常被用來解決氣密的問題，一般的形式大家都已經(jīng)很熟悉，與傳統(tǒng)的波導—同軸探針—微帶過渡不同本文介紹的過渡結構在保證氣密的基礎上，將微帶線從直通方向引出。

2 基本原理

我們可以把深入波導的探針看成一個天線，若同軸線接波源，向波導所限定的方向輻射電磁波，一般地說，只要電磁波的電場或磁場分量與波導某模式的電場或磁場分量一致，該模便會被激勵。根據(jù)互易定理，若波導口接波源，那么此時能量也能從波導中被耦合出來。探針從波導的短路面插入，與波導內(nèi)的電場方向垂直，探針會對波導內(nèi)的場結構產(chǎn)生影響（如圖1），這樣是不能把能量耦合出去的，所以就要從探針的正上方插入一根調(diào)節(jié)螺釘，對波導內(nèi)的場結構產(chǎn)生擾動（如圖2）。探針和螺釘?shù)捻斆嬷g就會形成一個電容，能量是可以從這個電容上被耦合出去的。

圖1 探針附近的電場矢量

圖2 插入調(diào)節(jié)釘后波導內(nèi)的電場結構

3 仿真設計

根據(jù)理論分析可知，螺釘?shù)奈恢煤烷L度、探針的長度是影響過渡結構性能的因素。將探針從短路面中間插入，調(diào)節(jié)螺釘從波導寬邊的中間插入，螺釘位于探針尖端的正上方附近，設調(diào)節(jié)螺釘?shù)陌霃綖樽兞縍1，調(diào)節(jié)螺釘?shù)拈L度為變量D，調(diào)節(jié)螺釘與短路面的距離為變量C，探針的長度為變量L，探針的半徑為變量R2，利用Ansoft公司的商用軟件HFSS建立模型進行仿真。調(diào)節(jié)這幾個變量可以得到一個較好的效果如圖4所示。

圖3 過渡結構的側面剖視圖和波導口入視圖

圖4 過渡結構優(yōu)化結果

由圖中可以看出，在27G-32G之間的一段頻率內(nèi)，過渡結構有較好的性能，插損小于0.2dB。

4 過渡結構的制作與測試

測試采用背對背形式，兩個過渡結構由一段15mm長的微帶線聯(lián)接。

圖5 測試結構剖面圖

測試儀器使用Agilent公司的10MHz—40GHz矢量網(wǎng)絡分析儀，旋動調(diào)節(jié)螺釘?shù)玫阶罴训膫鬏斝阅埽鐖D6所示。

圖6 測試結果

從圖中可以看出，在28GHz—32GHz頻率范圍內(nèi)，回波損耗小于-18dB，插入損耗小于0.7dB（其中包括15mm長的50Ω微帶線的損耗）。實測結果與仿真結果基本一致，插入損耗較仿真結果略大，這是由裝配誤差引起的。

圖7 實物照片

5 結論

本文介紹了一種直通方向的波導—同軸探針—微帶過渡結構，這種結構與以往所用的過渡結構相比，其主要優(yōu)點在于既解決了波導—微帶探針過渡、波導—鰭線—微帶過渡等結構普遍存在的氣密性的問題，而且具有波導接口—同軸探針—微帶線直通的聯(lián)接方向，比傳統(tǒng)的E面插入的波導—同軸探針—微帶線過渡結構更有利于小型化集成。由于調(diào)節(jié)螺釘可以對裝配誤差進行一定的補償調(diào)節(jié)，這種新結構受裝配工藝水平的影響也較其他結構更小。但是，這種結構的帶寬較窄，有待進一步改進。