隨著毫米波技術在無線通信和雷達系統(tǒng)中應用的不斷增多，一種十分重要的傳輸媒介——微帶線在現(xiàn)有毫米波集成電路中得到了廣泛的應用[1-3]。現(xiàn)在，各種毫米波集成系統(tǒng)之間的連接以及毫米波測試系統(tǒng)和器件大多仍采用金屬波導結構。因此，波導到微帶過渡結構性能的優(yōu)劣便成為影響系統(tǒng)特性的關鍵因素之一。本文主要對V頻段下波導-對脊鰭線-微帶過渡結構進行了仿真設計。
1 波導-微帶的對脊鰭線過渡的基本原理
　目前，所有毫米波檢測設備大多以標準矩形波導作為其輸入的RF接口，因而平面集成電路性能檢測都必須通過具有帶寬特性的過渡裝置來完成。對這些過渡裝置的基本要求是[4]：
　(1)能夠完成需要過渡轉換的兩種微波傳輸線之間的模式轉換；
　(2)在所需頻率的帶寬范圍內(nèi)，阻抗匹配要好；
   (3)電路結構便于加工制作，尺寸小；
   (4)裝卸容易，具有良好的重復性和一致性。
　波導到微帶的過渡要求傳輸損耗低，駐波小，回波損耗小，應有足夠的頻帶寬度，并且結構簡單，加工和安裝容易。MEIER P J提出了便于制作新型毫米波混合集成電路的準平面結構——鰭線[5]。把鰭線看成一種準平面結構，是由于它的整個電路圖形包括有源器件在內(nèi)都并入在一塊介質平板上，而其電路設計又要考慮到金屬波導盒的影響。對脊鰭線模型具有結構簡單、插損小、安裝方便等特點,過渡方向與電路一致,在寬頻帶內(nèi)可以實現(xiàn)較好的過渡性能，而且可以通過調(diào)節(jié)中間諧振塊的大小使諧振頻率遠離輸出頻率，是目前普遍采用的波導-微帶過渡結構。通過適當?shù)脑O計，就可保證鰭線中傳播的主模為準TE10模。
　    圖1所示為經(jīng)典的波導－對脊鰭線－微帶過渡。在整個過渡段長度l內(nèi)，兩個金屬鰭放置在基片兩面以組成一個圓弧型漸變段。圓弧之外，一個鰭用作微帶接地面，并與波導下部相連，而且其短接點與過渡相隔一微小距離。過渡特性取決于圓弧半徑R。電路中所附加的金屬面S起抑制諧振的作用，因為在工作頻段內(nèi)漸變下面的無金屬區(qū)可能出現(xiàn)諧振現(xiàn)象。
    在波導-對脊鰭線-微帶過渡電路的實現(xiàn)中，對脊鰭線過渡的漸變形式有許多種，例如指數(shù)線過渡、拋物線過渡、余弦平方線過渡等，這幾種漸變線的長度與反射系數(shù)的模的關系如圖2所示。其中，在工程上采用余弦平方漸變方式較為普遍。
2 V頻段波導-微帶線對脊鰭線過渡的仿真
2.1過渡設計
　在矩形波導-鰭線過渡器中，即使鰭線漸變線已實現(xiàn)最佳設計，漸變段本身也不能提供對矩形空波導的理想匹配，這是因為在漸變段末端的基片與空波導接口處的不連續(xù)所致。接口處阻抗不連續(xù)性的數(shù)值取決于基片厚度d和它的相對介電常數(shù)?著r。對于毫米波頻段通常使用的RT/Duroid5880介質基片，因基片的介電常數(shù)和厚度都較小，不連續(xù)性的影響不大，在過渡電路的工程設計中，可以忽略它的影響。對脊鰭線過渡段通常采用余弦平方的過渡形式，其設計公式[4]為：
 
式(1)中，w為50 Ω微帶線的寬度，z為鰭線傳輸線的縱向坐標；b為波導高度；l為過渡段長度。
　    在設計中, 尺寸較大的過渡結構可以保證過渡性能, 過渡的長度越長，反射系數(shù)越小。但設計人員都希望過渡段越短越好,但尺寸過短又會因端口的反射系數(shù)較大而導致回波損耗顯著增加。所以這里選擇一個合理的過渡長度，在允許的反射系數(shù)下獲得最短的過渡長度，對過渡特性有很重要的影響，這里采取折衷的辦法，一般l取1.5 λ0左右。而金屬塊與鰭間的距離大小對傳輸性能影響不大，但對回波損耗有明顯的影響。
       對于V頻段6 mm波導-微帶的過渡結構設計，采用WR-19（a=4.77 mm,b=2.38 mm）矩形波導，取50 Ω帶線，介質基片采用RT-duroid 5880材料（相對介電常數(shù)εr=2.22）,基片厚度為h=0.254 mm,金屬條帶厚度t=0.017 mm，用軟件算出微帶線寬度w=0.79 mm。
2.2 仿真結果
    為了對所構建的模型較快應用于工程實踐，利用三維仿真軟件CST Microwave studio對所設計的過渡進行了計算機仿真，設置中心頻率為60 GHz。仿真模型及結果如圖3所示。

　　在此基礎上，利用已經(jīng)仿真好的結構參數(shù)對單個波導-對脊鰭線-微帶過渡構建背靠背結構電路模型，如圖4所示。

    從仿真結果看出，單個過渡通帶平坦，插入損耗小，在58 GHz～61 GHz頻帶范圍內(nèi)，單個過渡插入損耗小于0.3 dB，回波損耗大于15 dB；背靠背過渡插入損耗小于0.3 dB，回波損耗大于10 dB。對比兩個仿真結果，單個過渡的S參數(shù)曲線比較平滑，而背靠背的S參數(shù)S11及S21都出現(xiàn)了波動變化，在仿真結果中出現(xiàn)多個諧振點。這是因為兩個端口反射波的相位不同相互疊加產(chǎn)生的。另外，在仿真結果不好時，可以優(yōu)化半圓弧的位置或半徑。在優(yōu)化網(wǎng)格時，首先可不加密，開始仿真時如圖5所示，產(chǎn)生一個粗糙的初始網(wǎng)格結果，然后再加密，選上Adaptive mesh refinement，在屬性中一般選擇最小2個passes，最多選4個passes，如圖6所示。結果不是很理想時，還可以對每一個參數(shù)進行掃描，即選定一個參數(shù)作為掃描對象，將該參數(shù)設定一個范圍，在該范圍內(nèi)進行掃描，從掃描結果中選出所能達到的最優(yōu)的仿真結果，這個結果所對應的就是該參數(shù)的最好的值。

    隨著微波毫米波器件的出現(xiàn)和系統(tǒng)越來越小型化和集成化的要求,尺寸精簡、性能優(yōu)越的過渡結構越來越重要。本文利用CST仿真分析了V頻段對脊鰭線微帶波導過渡結構和性能,并對該電路結構在V頻段進行三維電磁場仿真優(yōu)化，能得到理想的尺寸。仿真結果證明，該結構能在寬頻帶達到良好的過渡效果，V頻段內(nèi)單個過渡插入損耗和背靠背過渡插入損耗均小于0.3 dB，具有結構簡單緊湊、尺寸小、易于工程上的裝配和批量生產(chǎn)等優(yōu)點。
參考文獻
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[4] 李翔，徐軍.Ka波段波導到微帶的對脊鰭線過渡[C]. 全國微波毫米波會議論文集,2009,2(1):480-484.
[5] 薛良金.毫米波工程基礎[M].哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學出版社，2004.