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1 引言 矩形金屬波導是微波/毫米波頻段的重要傳輸線(xiàn)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(xiàn)、接收機、發(fā)射機、測試測量和低損耗部件中有廣泛的應用。目前，由于大多數固態(tài)器件(MIC,MMIC)都是基于平面電路應用，其中絕大部分為微帶電路。微帶-波導過(guò)渡作為為連接片面電路與波導系統的重要形式。具有體積小、結構簡(jiǎn)單、頻帶寬、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應用。 關(guān)于微帶-波導過(guò)渡的分析、設計的文獻較多，有的還給出了特定形式下的設計參數，但由于在實(shí)際運用中，工作頻段、安裝方式以及介質(zhì)基片與文獻中不盡相同，需要設計師自行設計，而目前設計的方法多采用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行參數計算、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合的方法，可節省大量時(shí)間，但由于電路仿真軟件模型的不嚴格，使得最終結果與全電磁仿真軟件有所出入，需要進(jìn)一步調整參數。 本文介紹一種微帶-波導過(guò)渡的CAD設計方法，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)仿真計算的5維變量減少為2維半。且仿真結果與實(shí)際模型十分一致，從而快速、準確地完成微帶-波導過(guò)渡的設計。 2 設計方法 目前常用的微帶-波導過(guò)渡的方式為2種，都是將微帶探針從波導寬邊的中心插入，一種的介質(zhì)面垂直與波導傳輸方向，稱(chēng)為H面探針，如圖1所示，另一種介質(zhì)面平行于波導傳輸方向，稱(chēng)為E面探針，如圖2所示。本文介紹的方法對兩種微帶-波導過(guò)渡方式均適用，下面以Ka頻段的E面探針為例，詳細介紹微帶-波導過(guò)渡的設計方法。該方法適用于其他頻段的波導-微帶過(guò)渡設計。 圖1 H面探針 圖2 E面探針 微帶—波導過(guò)渡的構成形式如圖3所示，探針從波導寬邊的中心插入，在波導開(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(xiàn)要細，因此將其稱(chēng)為高阻線(xiàn)。在某些情況下，除了高阻線(xiàn)還需要采用一段1/4波長(cháng)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-波導過(guò)渡的基本形式 對微帶-波導過(guò)渡性能有較大影響的電路參數共5個(gè)，由表1列出。探針插入處波導開(kāi)窗的大小對性能也有一定影響，在設計時(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。由于需要仿真來(lái)確定的電路參數較多，如果在電磁仿真軟件中進(jìn)行一個(gè)5維的參數掃描，將耗費大量時(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)仿真運算中掃描的參數減少到2.5維。 表1 影響微帶-波導過(guò)渡性能的參數 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(xiàn)簡(jiǎn)化為一段寬度與探針寬度相同的微帶線(xiàn);波導短路面可由一個(gè)阻抗被規一化到0歐姆的端口來(lái)代替，通過(guò)端口后處理功能demmbed功能即可調整短路面距離D。因此，該模型中在場(chǎng)仿真計算中的變量只有探針長(cháng)度L和探針寬度W。 在場(chǎng)仿真軟件中對L、W進(jìn)行一次2維的參數掃描，D的掃描可在計算完成后通過(guò)deembed功能實(shí)現，在計算結果中選取一組最優(yōu)值，確定微帶-波導過(guò)渡中L、W、D這三個(gè)參數。選取的原則是，由波導開(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置 圖5 最優(yōu)值的選取 然后，在已L、W、D已確定的基礎上，建立如圖6所示的仿真模型，該模型由微帶探針和高阻線(xiàn)構成。對高阻線(xiàn)的寬度進(jìn)行一次一維的參數掃描。通過(guò)定義微帶端口的負載阻抗值(等效為外接50歐姆傳輸線(xiàn))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(xiàn)的長(cháng)度)，可將此模型等效為實(shí)際情況一致的仿真模型。 (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 在計算出的結果中選取最優(yōu)值，確定微帶-波導過(guò)渡的最后兩個(gè)參數：高阻線(xiàn)長(cháng)度L1和高阻線(xiàn)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，將所確定的參數代入圖6(C)所示的模型中進(jìn)行一次場(chǎng)仿真運算，以驗證等效模型的準確性。從圖7中可以看出，等效模型的仿真結果與實(shí)際模型十分一致，從而可以驗證，采用上述的設計方法，不僅可以節省大量時(shí)間，同時(shí)也可以保證其結果的準確性。 圖7 最優(yōu)值選取 等效模型 實(shí)際模型 圖(7-a)仿真結果對比-S參數 實(shí)際模型 等效模型 圖(7-b)仿真結果對比-輸入阻抗 3 測試結果 利用上述方法，設計了一個(gè)H面微帶-波導過(guò)渡，采用標準BJ320波導，基片介質(zhì)為0.127mm厚度的ROGERS 5880，介電常數2.2。設計參數如下： 表2 微帶波導過(guò)渡設計參數(單位：毫米) 背靠背的測試結果如圖8所示，該結果包含一段10mm長(cháng)的微帶線(xiàn)，可以看出，該微帶-波導過(guò)渡性能良好，在26GHz～40GHz頻帶范圍內，背靠背的插損為0.3～0.8dB。 圖8 背靠背測試結果(插入損耗) 4 結論 本文介紹了一種微帶-波導過(guò)渡的設計仿真方法，整個(gè)設計過(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，節省時(shí)間，同時(shí)保證仿真結果的準確性。試驗證明，利用該方法，可以準確快速的完成所需的微帶-波導過(guò)渡的全部設計。 |
