寬帶波導(dǎo)－微帶過(guò)渡設(shè)計(jì)

1 引言

矩形金屬波導(dǎo)是微波/毫米波頻段的重要傳輸線形式，由于其高功率容量和低損耗的特性，在各種微波/毫米波的天線、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、測(cè)試測(cè)量和低損耗部件中有廣泛的應(yīng)用。目前，由于大多數(shù)固態(tài)器件(MIC,MMIC)都是基于平面電路應(yīng)用，其中絕大部分為微帶電路。微帶-波導(dǎo)過(guò)渡作為為連接片面電路與波導(dǎo)系統(tǒng)的重要形式。具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)于微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的分析、設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較多，有的還給出了特定形式下的設(shè)計(jì)參數(shù)，但由于在實(shí)際運(yùn)用中，工作頻段、安裝方式以及介質(zhì)基片與文獻(xiàn)中不盡相同，需要設(shè)計(jì)師自行設(shè)計(jì)，而目前設(shè)計(jì)的方法多采用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、優(yōu)化，過(guò)程繁瑣，耗時(shí)巨大。提出了一種將電磁場(chǎng)仿真軟件與電路仿真軟件相結(jié)合的方法，可節(jié)省大量時(shí)間，但由于電路仿真軟件模型的不嚴(yán)格，使得最終結(jié)果與全電磁仿真軟件有所出入，需要進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)。

本文介紹一種微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的CAD設(shè)計(jì)方法，利用商用3維電磁仿真軟件Ansoft HFSS的后處理功能，將通常需要進(jìn)行場(chǎng)仿真計(jì)算的的5維變量，減少為2維半。且仿真結(jié)果與實(shí)際模型十分一致，從而快速、準(zhǔn)確地完成微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)方法

目前常用的微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的方式為2種，都是將微帶探針從波導(dǎo)寬邊的中心插入，一種的介質(zhì)面垂直與波導(dǎo)傳輸方向，稱為H面探針，如圖1所示，另一種介質(zhì)面平行于波導(dǎo)傳輸方向，稱為E面探針，如圖2所示。本文介紹的方法對(duì)兩種微帶-波導(dǎo)過(guò)渡方式均適用，下面以Ka頻段的E面探針為例，詳細(xì)介紹微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的設(shè)計(jì)方法。該方法適用于其他頻段的波導(dǎo)-微帶過(guò)渡設(shè)計(jì)。

圖1 H面探針

圖2 E面探針

微帶—波導(dǎo)過(guò)渡的構(gòu)成形式如圖3所示，探針從波導(dǎo)寬邊的中心插入，在波導(dǎo)開(kāi)窗處用一段匹配段將阻抗匹配至50歐姆，由于匹配段的寬度通常比50歐姆傳輸線要細(xì)，因此將其稱為高阻線。在某些情況下，除了高阻線還需要采用一段1/4波長(zhǎng)的阻抗變換段將阻抗匹配至50歐姆，以方便和MMIC相連。

圖3 微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的基本形式

對(duì)微帶-波導(dǎo)過(guò)渡性能有較大影響的電路參數(shù)共5個(gè)，由表1列出。探針插入處波導(dǎo)開(kāi)窗的大小對(duì)性能也有一定影響，在設(shè)計(jì)時(shí)可先將其確定。一般的原則是開(kāi)窗越小越小越好，以形成截至波導(dǎo)。由于需要仿真來(lái)確定的電路參數(shù)較多，如果在電磁仿真軟件中進(jìn)行一個(gè)5維的參數(shù)掃描，將耗費(fèi)大量時(shí)間，而且難以得到最優(yōu)值。通過(guò)等效模型和端口后處理，可以將需要在場(chǎng)仿真運(yùn)算中掃描的參數(shù)減少到2.5維。

表1 影響微帶-波導(dǎo)過(guò)渡性能的參數(shù)

探針長(zhǎng)度探針寬度高阻線

長(zhǎng)度高阻線

寬度波導(dǎo)短路面距離

LWL1W1D

首先，建立如圖4所示的HFSS仿真模型，該模型將過(guò)渡中的微帶線簡(jiǎn)化為一段寬度與探針寬度相同的微帶線;波導(dǎo)短路面可由一個(gè)阻抗被規(guī)一化到0歐姆的端口來(lái)代替，通過(guò)端口后處理功能demmbed功能即可調(diào)整短路面距離D。因此，該模型中在場(chǎng)仿真計(jì)算中的變量只有探針長(zhǎng)度L和探針寬度W。

在場(chǎng)仿真軟件中對(duì)L、W進(jìn)行一次2維的參數(shù)掃描，D的掃描可在計(jì)算完成后通過(guò)deembed功能實(shí)現(xiàn)，在計(jì)算結(jié)果中選取一組最優(yōu)值，確定微帶-波導(dǎo)過(guò)渡中L、W、D這三個(gè)參數(shù)。選取的原則是，由波導(dǎo)開(kāi)窗處，即圖4中的參考面看進(jìn)去的微帶端口的輸入阻抗隨頻率的變化越小越好。

圖4 簡(jiǎn)化仿真模型與短路面端口設(shè)置

圖5 最優(yōu)值的選取

然后，在已L、W、D已確定的基礎(chǔ)上，建立如圖6所示的仿真模型，該模型由微帶探針和高阻線構(gòu)成。對(duì)高阻線的寬度進(jìn)行一次一維的參數(shù)掃描。通過(guò)定義微帶端口的負(fù)載阻抗值(等效為外接50歐姆傳輸線)和利用deembed功能改變微帶端口的參考面位置(等效為改變高阻線的長(zhǎng)度)，可將此模型等效為實(shí)際情況一致的仿真模型。[!--empirenews.page--]

(a)等效模型 (b)端口定義 (c)實(shí)際模型

圖6 等效仿真模型與端口定義

在計(jì)算出的結(jié)果中選取最優(yōu)值，確定微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的最后兩個(gè)參數(shù)：高阻線長(zhǎng)度L1和高阻線寬度W1。選取的方法跟第一相同，選取的原則為：1、輸入阻抗盡量靠近理想匹配點(diǎn)。2、輸入阻抗隨頻率的變化盡量小。

最后，將所確定的參數(shù)代入圖6(C)所示的模型中進(jìn)行一次場(chǎng)仿真運(yùn)算，以驗(yàn)證等效模型的準(zhǔn)確性。從圖7中可以看出，等效模型的仿真結(jié)果與實(shí)際模型十分一致，從而可以驗(yàn)證，采用上述的設(shè)計(jì)方法，不僅可以節(jié)省大量時(shí)間，同時(shí)也可以保證其結(jié)果的準(zhǔn)確性。

圖7 最優(yōu)值選取

等效模型 實(shí)際模型

圖(7-a)仿真結(jié)果對(duì)比-S參數(shù)

實(shí)際模型 等效模型

圖(7-b)仿真結(jié)果對(duì)比-輸入阻抗

3 測(cè)試結(jié)果

利用上述方法，設(shè)計(jì)了一個(gè)H面微帶-波導(dǎo)過(guò)渡，采用標(biāo)準(zhǔn)BJ320波導(dǎo)，基片介質(zhì)為0.127mm厚度的ROGERS 5880，介電常數(shù)2.2。設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

表2 微帶波導(dǎo)過(guò)渡設(shè)計(jì)參數(shù)(單位：毫米)

探針長(zhǎng)度探針寬度高阻線長(zhǎng)度高阻線寬度波導(dǎo)短路面距離

1.850.60.40.152.65

背靠背的測(cè)試結(jié)果如圖8所示，該結(jié)果包含一段10mm長(zhǎng)的微帶線，可以看出，該微帶-波導(dǎo)過(guò)渡性能良好，在26GHz～40GHz頻帶范圍內(nèi)，背靠背的插損為0.3～0.8dB。

圖8 背靠背測(cè)試結(jié)果(插入損耗)

4 結(jié)論

本文介紹了一種微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的設(shè)計(jì)仿真方法，整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程均在三維電磁仿真軟件HFSS中完成，利用端口處理功能簡(jiǎn)化模型，節(jié)省時(shí)間，同時(shí)保證仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。試驗(yàn)證明，利用該方法，可以準(zhǔn)確快速的完成所需的微帶-波導(dǎo)過(guò)渡的全部設(shè)計(jì)。