用于耦合回旋管信号的过渡电路设计

何婷婷,李少甫,唐家轩,唐颖颖,余蒋平

(西南科技大学 信息工程学院,四川 绵阳 621010)

近年来太赫兹科学技术作为一个新兴的交叉学科和研究热点受到众多学者的广泛关注,随着太赫兹技术的快速发展,各类太赫兹电路的应用需求也得到大幅度提升。

太赫兹技术研究的重要内容之一是电磁信号在不同媒介之间的转换,目前太赫兹固态器件中常见的信号转换结构有微带线到悬置微带线过渡、波导到悬置微带线过渡等。2019年,牛赫一等[1]设计的微带线-悬置微带线过渡电路,利用“V 型开槽地”结构实现了微带线到悬置微带线信号的过渡转换,0～40 GHz频率范围内回波损耗优于15 dB。2018年,林元根等[2]设计的180 GHz悬置微带线到波导过渡,回波损耗优于20 dB。2019年张运传等[3]设计了可应用于汽车防撞雷达收发前端测量的V 波段微带-波导过渡。2012年电子科技大学利用扇形阶跃阻抗匹配电路设计了一种220 GHz大气窗下波导到悬置微带新型过渡电路,200～240 GHz频率范围内S11小于-15 dB[4]。可见近年来太赫兹电路中的过渡结构成为研究热点[5],但是目前研究的频段主要集中在太赫兹低频段。

对于空间中的电磁信号,通常使用单独的口径天线接收并利用波导法兰接入过渡电路[6]。然而太赫兹高频段信号功率较小,并且相应的器件电路尺寸在毫米量级,这样的接入方式使信号损耗较大,因此限制了应用范围。

基于测量回旋管信号(1 THz,带宽50 GHz)频率的相关项目需求,本研究设计了一种将空间中的太赫兹信号接收后以最大效率耦合到悬置微带线电路中的过渡结构。该结构采用E面探针耦合形式实现悬置微带线到E面喇叭天线信号的传输,并使信号以最大效率辐射到空间中。由于模型具有互易性,同时可用作接收太赫兹信号,将空间中的信号耦合到传输线上。这种电路的应用从一定程度上提高了信号的转换效率。

1 过渡结构理论分析

1.1 悬置微带线理论分析

悬置微带线由金属屏蔽腔、介质基片和金属传输线构成,这种传输线通过改变基片厚度和空气腔高度等参数来改变特征阻抗,从而减少信号传输时的损耗。由于悬置微带线附近被激励起来的高次模具有电抗性,通常在探针后加一段传输线进行阻抗匹配[7]。最初设计悬置微带线尺寸时,需要考虑信号传输是否能抑制高次模,保证主模传输。传输线截止频率定义式为:

式中:a1,b1分别为悬置微带线腔体宽度和高度;h为介质基片厚度;εr为介质基片的相对介电常数。当工作频率大于fc时,传输线中会产生高次模,由式(1)可知,截止频率fc和传输线的尺寸、介质基片选用的材料有关,因此在设计时,通常改变对应的参数保证传输线中只有一个模式传播(准TEM 模)。

2.2 波导-悬置微带线过渡电路设计

过渡模型的设计目标是信号在传输线和矩形波导之间实现最大效率的电场能量传输,通常利用在悬置微带线和矩形波导交集部分设计优良的阻抗匹配来实现,而阻抗匹配又可依靠设计过渡模块的物理结构来完成。波导-悬置微带线过渡常用的结构有两种,E面探针耦合(介质面平行于波导传输方向)和H面探针耦合(介质面垂直于波导传输方向)。为了避免悬置微带线上下腔体结构的灵活设计对电磁场信号传输产生影响,增加额外损耗,综合考虑,本次设计选用E面探针耦合。

波导-悬置微带线过渡结构示意图如图1,由文献[8]设计可知探针中心距离矩形波导短路面四分之一处电场能量最大,因此在本次设计中使L=λg/4(λg为波导波长)。模型中悬置微带线垂直穿过波导,在波导的另外一端形成接地结构,设计这种结构主要是因为模型的应用背景是太赫兹混频器研究,接地端充当二极管直流分量的接地回路,防止中频信号溢出而损坏其他器件[9],这种结构在其他太赫兹电路中同样适用。

图1 悬置微带线-波导E面探针结构示意图Fig.1 Schematic diagram of suspended microstrip line-waveguide E-plane probe structure

1.3 E面喇叭天线设计

各类天线中喇叭天线具有较高的增益、较好的频率特性、较大的功率容量以及结构简单等特点,矩形喇叭天线通常有H 面喇叭、E面喇叭和角锥喇叭。本次设计为了将天线和悬置微带线模型共同嵌入金属腔体中,并且考虑方便加工、成本较低,最终选择E面喇叭天线结构(图2)。

喇叭天线的矩形波导部分传输TE10模式,当波导扩展到喇叭模块时,电磁场矢量方向将发生改变,导致E面喇叭天线的阻抗理论分析变得复杂。引起天线失配的主要原因有:(1)喇叭天线后面上电磁场的反射,反射的强弱与喇叭的口径尺寸、张角、长度等有关;(2)喇叭天线与波导连接处的信号反射。天线在进行阻抗匹配时可从喇叭口面以及颈部入手,其中颈部阻抗匹配与常见的馈线匹配方式相同[10-11]。在后续总体模型设计中结合窗钉的馈电思想,将悬置微带线与喇叭天线模块结合了起来,在前期设计时先单独仿真天线模块。

图2 E面喇叭天线结构示意图Fig.2 Schematic diagram of E-side horn antenna structure

为了得到最佳增益天线,E面喇叭满足:

式中:λ 为工作波长;C(x)和S(x)为菲涅尔积分函数。E面喇叭天线最佳天线效率η=0.64。最优E面喇叭对应的最大相位参数s为:

2 软件仿真设计

2.1 悬置微带线-矩形波导过渡电路

单独对悬置微带线模型进行多次仿真时,发现屏蔽腔尺寸在几微米范围内变化,对传输的S 参数造成的影响极小。因此实物装配时能让介质基片与模型更好地契合,将悬置微带线的金属屏蔽腔下腔体左右两边分别缩进5 μm。根据公式(1)计算得出fc=1.3 THz,并利用HFSS仿真验证了传输线满足单模传输。

波导-悬置微带线模型中,波导选用WR0.8标准矩形波导,腔体材料选用电导率为5.8×107S/m 的金属铜,波导内壁涂一层金属金,结合目前加工工艺将表面粗糙度设置为4μm。悬置微带线中介质基片选用石英基片,过渡结构如图3。值得注意的是波导壁上开的窗口要足够小,以避免扰乱波导中的场分布,设计时窗口选在波导a 边的中心位置,波导短路面距离探针中心位置L=0.625 mm。由于高频段出现偏差较大,仿真优化时在初值范围附近修改参数,进行反复优化以达到设计指标。

图3 波导-悬置微带线结构Fig.3 Waveguide-suspended microstrip line structure

2.2 E面喇叭天线

喇叭天线的工作原理为输入电磁波通过模式激励,传输到达口面,形成口面场后并向空间辐射,在辐射区干涉叠加形成辐射场在空间分布。结合设计需求,令本次研究的天线增益G=15 dB,工作频率为1 THz,矩形波导选用WR0.8(0.922～1.4 THz),结合式(2)-(4),利用Matlab工具可计算出天线对应的尺寸,仿真优化之后的尺寸如表1所示。

表1 1 THz E面喇叭天线尺寸Tab.1 Dimensions of 1 THz E-side horn antenna

HFSS软件中天线的仿真模型如图4所示。为了尽可能使仿真结果接近真实情况,在HFSS软件中仿真时,将喇叭天线内壁设置为金属金材料,表面粗糙度同样设置为4μm。由于将来应用时将喇叭天线内嵌到金属腔体中,因此只在天线的口面位置设置了空气盒子。

图4 E面喇叭天线模型Fig.4 Model of E-side horn antenna

S 参数仿真时,回波损耗通常要求小于-20 dB,插入损耗大于-3 dB。喇叭天线效率确定的情况下,天线增益和口径B 成正比,仿真过程中发现天线口径如果过大,方向图中波束将会变窄、波瓣增多。经过反复仿真优化,最终得到最佳S 参数图(图5)。0.922～1.4 THz频率范围内,S11整体小于-20 dB,当频率为1 THz时,S11接近-23 dB,仿真结果较好。

图5 E面喇叭天线S 11参数图Fig.5 E-plane horn antenna S 11 parameter diagram

2.3 悬置微带线-喇叭天线过渡电路

两个模型性能仿真优化到最佳后,在HFSS中联合仿真优化。起初运行时仿真结果较差,通过对模型中的关键物理尺寸进行调整,多次迭代优化后的结构如图6所示。悬置微带线端设置信号激励,通过过渡结构将信号以最大效率耦合到天线中并向空间辐射,由天线互易性质可知,该模型也可作为太赫兹接收天线使用。其次天线的口径尺寸还可以根据需要接收的信号能量大小进行灵活调整。

图6 悬置微带线-喇叭天线过渡模型Fig.6 Transition model of suspended microstrip line-horn antenna

S参数图中(图7)当频率为1 THz时,S11等于-23 dB,在0.96～1.06 THz范围内S11小于-10 dB,带宽接近100 GHz,实现了宽带频率特性,满足项目中接收50 GHz带宽信号源的设计要求。由于增加了过渡模块信号耦合传输损耗,此时天线的增益降为14 dB,但天线的方向性依然保持较好。天线的2D和3D辐射方向图如图8所示,天线的极化方式为线极化,图8(b)中交叉极化的值为-30 dB。

图7 模型S 11参数图Fig.7 Model S 11 parameter diagram

3 仿真结果容差分析

工作频率越高,电路尺寸越小,在毫米级电路中微米级别的尺寸变化都可能对电路性能产生影响。根据尽可能减小装配误差的原则,模型加工时以悬置微带线上腔体面为平面进行切割,分为上下两部分。在加工之前基于模型的实用性对该部分装配误差进行容差分析,结果如图9所示,分别为上下腔体装配时y轴方向和x轴方向偏移所引起的过渡结构S11的变化。

图8 天线辐射方向图Fig.8 Antenna radiation pattern

图9 电路装配偏移容差分析Fig.9 Circuit assembly offset tolerance analysis

由图9可知,y 方向上装配误差对电路性能的影响相较于x方向要更大一些,这是因为y 方向装配时左右偏移引起部分悬置微带线上下腔体高度发生变化,从而导致电路阻抗改变。y 方向上左右偏移20μm 范围内引起的误差可以接受。这对现阶段装配工艺提出了较高的要求,腔体设计时,可参考上述得出的结论在电路中合适的位置增加定位梢以进一步提高装配精度。

4 结论

本文针对电磁信号在不同媒介之间高效率转换问题设计了一种新型的悬置微带线-喇叭天线过渡结构。利用HFSS软件对模型进行仿真优化,在0.96～1.06 THz频率范围内,回波损耗优于10 dB,天线增益接近14 dB。实验表明电路中的信号能以较低损耗辐射到空间中去(空间中的信号能高效率地耦合到电路中),一定程度上提高了信号转换的效率。结合目前加工工艺可实现的条件下对模型的装配误差进行了容差分析,这为将来电路腔体设计提供了理论参考。