《電子技術(shù)應(yīng)用》
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一種毫米波頻段微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)
2019年電子技術(shù)應(yīng)用第6期
王 健，陳 林，阮曉明，姚武生
博微太赫茲信息科技有限公司，安徽 合肥230088
摘要： 微帶線和同軸是微波系統(tǒng)中常見的兩種傳輸線，兩種傳輸線在低頻段一般的互連方式是直接焊接，同軸內(nèi)導(dǎo)體焊接在微帶線的金屬帶線上，外導(dǎo)體安裝在微帶線的接地面上。這種連接方式在低頻段內(nèi)對(duì)微波信號(hào)的傳輸影響很小，在毫米波頻段內(nèi)，這種連接方式會(huì)導(dǎo)致毫米波信號(hào)的損耗增大。因此設(shè)計(jì)了一種毫米波頻段微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)在微帶線和同軸之間增加一個(gè)補(bǔ)償孔結(jié)構(gòu)，有效降低了微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的駐波比和插入損耗，提高整體系統(tǒng)的性能。
中圖分類號(hào)： TN03
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A
DOI：10.16157/j.issn.0258-7998.190013
中文引用格式： 王健，陳林，阮曉明，等. 一種毫米波頻段微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2019，45(6)：19-22.
英文引用格式： Wang Jian，Chen Lin，Ruan Xiaoming，et al. A millimeter-wave band microstrip-to-coaxial transition structure[J]. Application of Electronic Technique，2019，45(6)：19-22.
A millimeter-wave band microstrip-to-coaxial transition structure
Wang Jian，Chen Lin，Ruan Xiaoming，Yao Wusheng
Brainware Terahetz Information Technology Company Limited，Hefei 230088，China
Abstract： Microstrip line and coaxial are the two common transmission lines in microwave systems. The common interconnection method between the two transmission lines at the low frequency band is direct soldering. The coaxial inner conductor is soldered on the metal strip line of the microstrip line. The outer conductor is mounted on the ground plane of the microstrip line. This connection has little effect on the transmission of microwave signals in the low frequency band. In the millimeter wave band, this connection will result in an increase loss of the millimeter-wave signal. Therefore, a millimeter-wave band microstrip coaxial transition structure is designed. This transition structure adds a transition hole structure between the microstrip line and the coaxial, which can effectively reduce the voltage standing wave ratio and insertion loss of the microstrip-to-coaxial transition structure, and improve the performance of the overall system.
Key words : millimeter-wave；microstrip-to-coaxial transition；transition hole；voltage standing wave ratio；insertion loss

0 引言

    在微波電路中，同軸電纜和微帶線是微波系統(tǒng)中常見的兩種微波傳輸線，同軸電纜以其頻帶寬、屏蔽性好、結(jié)構(gòu)簡單、可彎曲等特性，常被用作模塊或系統(tǒng)之間連接的傳輸線。在高頻段，微帶線是混合微波集成電路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)和單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)使用最多的一種平面?zhèn)鬏斁€，且容易與其他無源微波電路和有源電路器件集成，實(shí)現(xiàn)微波部件和系統(tǒng)的集成化[1-3]，因此在微波系統(tǒng)中不可避免地出現(xiàn)微帶同軸轉(zhuǎn)換。

    在低頻微波電路中，微帶同軸轉(zhuǎn)換一般的連接方式是同軸的內(nèi)導(dǎo)體直接焊接在微帶的金屬帶線上，外導(dǎo)體和微帶線的地安裝在一起，這種結(jié)構(gòu)在低頻段對(duì)轉(zhuǎn)接口的駐波和插入損耗影響都很小。但隨著微波技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)系統(tǒng)使用的微波信號(hào)頻率越來越高，這對(duì)微波信號(hào)在傳輸過程的損耗和轉(zhuǎn)接口駐波提出了更高的要求，而微帶同軸一般互連方式的駐波和插入損耗會(huì)隨著頻率的增加而增大，因此對(duì)微帶同軸轉(zhuǎn)換在高頻段性能研究變得更加重要。本文設(shè)計(jì)了一種毫米波頻段微帶同軸轉(zhuǎn)換，通過增加補(bǔ)償孔的方式提高微帶同軸轉(zhuǎn)換的性能。

1 基本概念

1.1 微帶線[1]

    微帶線是微波電路中最常用的平面?zhèn)鬏斁€之一，它主要由三部分組成：金屬帶線、介質(zhì)板和金屬地，結(jié)構(gòu)如圖1所示。微帶線是一種半開放的平面?zhèn)鬏斁€，其金屬帶線上面是空氣，下面是介質(zhì)基片，微波信號(hào)在微帶線上傳輸時(shí)，大部分場集中在介質(zhì)基片內(nèi)，上面空氣介質(zhì)中也存在一部分場，微帶線電場線和磁場線分布如圖2所示。

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式中，εr是微帶介質(zhì)基片的相對(duì)介電常數(shù)。

    金屬帶線厚度t≠0時(shí)，金屬帶線邊緣的電容增加，可等效為金屬帶線厚度為零、寬度為We的微帶線。等效寬度We為：

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1.2 同軸線

    同軸線是由兩根同軸的圓柱導(dǎo)體組成的導(dǎo)波系統(tǒng)，分別稱為內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體，內(nèi)外導(dǎo)體之間是空氣或者相對(duì)介電常數(shù)為εr的介質(zhì)，同軸線傳輸TEM模式的場，其橫截面的電磁場分布如圖3所示。

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    (1)同軸線的特性阻抗為：

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其中，a是內(nèi)導(dǎo)體的外徑，b是外導(dǎo)體的內(nèi)徑，εr是內(nèi)外導(dǎo)體之間填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

    (2)同軸連接器

    目前市場的同軸連接器種類繁多，一般的SMA同軸連接最高工作頻率是27 GHz，滿足不了毫米波頻段的要求，能夠工作到更高頻段的同軸連接器有2.92 mm同軸連接器、2.4 mm同軸連接器和1.85 mm同軸連接器等等，每種連接器的安裝方式也多種多樣，有可拆卸式、穿墻式、直聯(lián)式、印制板焊接式、端接式等。

2 微帶同軸轉(zhuǎn)換補(bǔ)償孔設(shè)計(jì)方法

2.1 設(shè)計(jì)方法

    一般微帶同軸轉(zhuǎn)換直接連接的方式如圖4所示，同軸連接器內(nèi)導(dǎo)體直接焊接在微帶線上，外導(dǎo)體安裝在殼體上，微帶同軸這種不同傳輸線之間的轉(zhuǎn)換很難給出一個(gè)精確的計(jì)算公式。從電路理論分析，微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)相當(dāng)于在同軸和微帶線之間并聯(lián)了一個(gè)電容C，如圖5所示。在低頻段時(shí)，由于電容很小，產(chǎn)生的電納很小，可看作開路處理，但隨著頻率的增加，電容的電納越來越大，部分傳輸信號(hào)開始被反射，造成轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的駐波和插入損耗都明顯增大。借鑒同軸傳輸線的高抗補(bǔ)償法[4-8]，在微帶同軸轉(zhuǎn)換界面處增加一段補(bǔ)償孔，補(bǔ)償孔的示意圖如圖6所示，補(bǔ)償孔的主要作用體現(xiàn)在兩個(gè)方面：(1)減小微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)并聯(lián)電容的容值；(2)在轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中增加一段感性空氣介質(zhì)的同軸線，對(duì)并聯(lián)電容進(jìn)行調(diào)諧，進(jìn)而對(duì)轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的駐波和插入損耗進(jìn)行改善。

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2.2 仿真分析

    為了方便仿真和實(shí)測對(duì)比，本文采用“背靠背”結(jié)構(gòu)進(jìn)行建模仿真，仿真模型如圖7所示。微帶線板材是厚度為0.254 mm的Rogers5880。絕緣子的具體尺寸如下：同軸內(nèi)導(dǎo)體直徑D1=0.3 mm，外導(dǎo)體直徑D2=2.0 mm。微帶線焊接在一個(gè)密閉的金屬槽內(nèi)，同軸外導(dǎo)體安裝在殼體的穿墻孔內(nèi)，同軸內(nèi)導(dǎo)體與微帶線的金屬帶線通過焊錫連接，在同軸內(nèi)導(dǎo)體與微帶線之間添加焊錫，用以模擬焊錫量對(duì)微帶同軸轉(zhuǎn)換的影響。

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    經(jīng)過仿真軟件計(jì)算，將兩種微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的仿真結(jié)果對(duì)比如圖8所示，增加補(bǔ)償孔后微帶同軸轉(zhuǎn)換的電壓駐波比（VSWR）和插入損耗(IL)隨著頻率的增加都有明顯下降，這說明補(bǔ)償孔結(jié)構(gòu)能夠有效改善微帶同軸轉(zhuǎn)換在毫米波頻段的性能。

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    圖8中微帶同軸轉(zhuǎn)換的補(bǔ)償孔尺寸不是其最佳的尺寸，經(jīng)過仿真優(yōu)化，得到微帶同軸轉(zhuǎn)換的最優(yōu)仿真結(jié)果如圖9所示。微帶同軸轉(zhuǎn)換駐波比在1.2以下，插入損耗在0.2 dB以下。

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    按照仿真的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)尺寸制作實(shí)物，實(shí)物的同軸接口采用可拆卸式連接器和絕緣子相結(jié)合的方式。為了對(duì)比增加補(bǔ)償孔后實(shí)物性能改善效果，同時(shí)加工了無補(bǔ)償孔的微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，組裝后的微帶同軸轉(zhuǎn)換如圖10所示。

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    利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微帶同軸轉(zhuǎn)換進(jìn)行測量，測試結(jié)果以及結(jié)果匯總?cè)鐖D11所示。

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    由圖11的測試數(shù)據(jù)對(duì)比可知，轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的VSWR由3降低到1.5以下，插入損耗由4 dB下降到2 dB，因此增加了補(bǔ)償孔的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)可以有效地降低微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的駐波和插入損耗，改善微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的平坦度。但轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的插入損耗測試結(jié)果比仿真結(jié)果大，這主要是由于以下幾個(gè)方面造成的：(1)所用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試接口是2.4 mm同軸接口，微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)的接口是2.92 mm同軸接口，所以最終測試結(jié)果中包含兩個(gè)2.4～2.92轉(zhuǎn)接頭的插入損耗；(2)可拆卸式連接器和絕緣子的連接存在誤差，并且引入了兩個(gè)可拆卸式連接器的插入損耗；(3)毫米頻段的組裝工藝要求較高，實(shí)際組裝過程中不可避免地存在組裝誤差，所以測試結(jié)果中插入損耗比仿真結(jié)果稍差。

3 結(jié)語

    本文設(shè)計(jì)了一種毫米頻段的微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，與以往的直接連接相比，本文所設(shè)計(jì)微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)增加一段補(bǔ)償孔，經(jīng)過仿真和實(shí)物測試的結(jié)果對(duì)比，可以看出增加補(bǔ)償孔后的微帶同軸轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)駐波、插入損耗以及平坦度都有明顯改善。

參考文獻(xiàn)

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作者信息:

王  健，陳  林，阮曉明，姚武生

(博微太赫茲信息科技有限公司，安徽 合肥230088)

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