W波段波导—微带对脊鳍线过渡结构设计

单 伟 包 超 高志宇 郑 晓 秦 越

(中国核动力研究设计院核反应堆系统设计技术重点实验室，四川 成都610213）

0 引言

在毫米波混合集成电路中，常采用微带线作为毫米波集成电路之间的信号传输线。然而现有的毫米波测试仪器设备通常以标准的矩形波导作为毫米波信号的测试接口，除此之外，不同的毫米波电路器件之间的连接接口也常通过矩形波导实现级联。因此需要一种过渡结构有效地保证电磁波信号在两种传输线之间低损耗的传输转换。常见的矩形波导到微带线的过渡结构分为：微带探针过渡[1，2]、阶梯脊波导过渡和对脊鳍线过渡[3～4]。但在毫米波电路系统中，由于电路尺寸小，对加工工艺精度要求高等因素，因此，要求结构紧凑且易于加工的过渡结构。相比之下，对脊鳍线过渡结构满足上述要求。

本文基于一种对脊鳍线过渡结构设计并仿真了一款W波段的矩形波导到微带线的过渡结构。最终的仿真结果表明，该过渡结构在80～95 GHz的频带范围内回波损耗小于20 dB，插入损耗小于0.4 dB。

1 理论分析

矩形波导到微带线的过渡实际上是阻抗匹配和波形变换问题。标准矩形波导的工作主模是TE10模，而微带线传输准TEM模式的电磁波信号。虽然两者的工作模式不同，但考虑到两者的电压和电流的定义是相容的，可以把复杂的场匹配问题简化为传输线的匹配问题。根据工作频段分析，本文选用矩形波导WR10（2.54 mm×1.27 mm）。微带线的特性阻抗为50Ω[5]。

矩形波导到微带线的对脊鳍线过渡结构如图1所示。介质基片两面的对脊金属鳍呈渐变曲线，可实现将矩形波导的TE10模电场集中并逐渐旋转90°，使得对脊鳍线交叉重叠部分传输准TEM模[6]。此外，该过渡结构通过渐变的对脊鳍线实现阻抗匹配的作用，将矩形波导的主模特性阻抗匹配至与微带线50Ω的特性阻抗相近的阻抗值。

图1 矩形波导—微带对脊鳍线过渡结构

2 电路设计与仿真

2.1 渐变鳍线设计

鳍线渐变的平滑曲线形式主要有：指数线型、抛物线型和余弦平方线型[7]，渐变曲线的频率响应曲线如图2所示。考虑到余弦平方渐变曲线在毫米波波长尺寸的量级的上易加工，有利于提高电路的加工精度高，因此本文选该曲线形式过渡结构。

余弦平方渐变曲线形式的对脊鳍线过渡结构采用公式（1）进行建模设计。

式中各电路尺寸参数见图3所示注释。

图3 余弦平方渐变曲线对脊鳍线过渡结构

2.2 仿真分析

本文设计的波导—微带过渡结构选用Rogers RT5880软基片。在W波段的工作频段下，介质基片厚度为0.127 mm，相对介电常数为2.2，矩形波导为WR10，微带线宽度0.38 mm。建立的仿真模型如图4所示。

图4 对脊鳍线过渡模型图

通过仿真优化，完成后的仿真结果如图5所示。在80～95 GHz的工作范围内，S11小于-20 dB，S21大于-0.4 dB。仿真表明，该波导—微带过渡结构性能良好。

图5 模型仿真曲线

3 结论

本文基于对脊鳍线过渡结构，采用余弦平方渐变曲线的过渡形式，设计并仿真了一种W波段的矩形波导-微带线的过渡结构。该过渡结构不仅具有平面电路的几何结构优点，而且空间体积小、质量轻，可广泛应用于毫米波平面传输线组成的电路中。通过仿真结果表明：在W波段（80～95 GHz）的频带范围内，该过渡结构的回波损耗小于20 dB，插入损耗小于0.4 dB，达到良好的设计指标。