CN104331535A - V波段微带探针型波导微带转换电路及参数设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种V波段微带探针型波导微带转换电路，包括矩形波导（1）、介质基板（2）、微带探针（3）、四分之一阻抗变换线（4）和50欧姆微带传输线（5），所述微带探针（3）、四分之一阻抗变换线（4）和50欧姆微带传输线（5）设置在介质基板（2）上，所述介质基板（2）的底面焊接在矩形波导（1）上；所述介质基板（2）厚度为5mil；所述介质基板（2）上微带探针（3）所处的底面为绝缘材质；本发明在设计时充分考虑了微波信号在矩形波导中传输时其非主模模式的辐射因素，并结合最新的三维电磁场仿真软件，其计算结果更为精确，可以更好地指导电路板的工艺制作。

Description

V波段微带探针型波导微带转换电路及参数设计方法

技术领域

本发明涉及一种V波段波导微带转换电路，尤其涉及一种V波段微带探针型波导微带转换电路。

背景技术

随着微波毫米波技术日益发展，微波毫米波混合集成电路无论是在军用雷达、制导等武器战备系统还是在民用通讯、汽车防撞系统中均得到广泛应用。为尽量减小毫米波频段的传输损耗，V波段毫米波固态电路的对外接口绝大多数都采用波导结构，因此，波导微带转换电路无疑是毫米波系统中的关键部件，其性能好坏甚至影响整机的技术指标。

按照电路类型，波导微带转换电路分以下几个种类：脊波导转换型、过渡鳍线转换型、探针转换型。脊波导虽然转换原理简单，但需要精确的机械加工，体积也较大；过渡鳍线型转换设计困难且损耗较大；相对上述两种电路，探针型转换具有明显的优点：插入损耗低、电压驻波比小、具有较大的工作带宽，并且结构易于加工和调试。

探针型波导微带转换电路从制作的形式上可分为同轴探针型和微带探针型。同轴探针型波导微带转换电路易于设计，是一种较为成熟的电路形式，但是它也有以下几个缺点：(1)结构尺寸较大；(2)成本较高；(3)工艺实现较为复杂。通常在频率较低(Ka波段以下)的固态电路中，同轴探针型波导微带转换电路应用较广，但是当工作频率上升至V波段时，高性能的同轴探针不易制作，价格成本很高；而且由于毫米波电路的几何结构很小，同轴探针复杂的装配工艺带来的误差有可能导致电路性能的恶化。

现有的波导微带转换电路设计方法由于未综合考量微波信号在矩形波导腔内非主模模式辐射的因素，会导致设计结果的偏差，以至于不能精确地指导实际微带线电路的工艺制作，从而导致普遍插入损耗不理想。

发明内容

发明目的：有鉴于此，本发明提供一种V波段微带探针型波导微带转换电路的制作方法。

本发明技术方案如下，

微带线是一种双导体传输系统，可以看作是由双导线演变而成的。假如微带线的中心导体带与接地板之间没有介质，或者整个微带线由一种均匀介质包围，则可以传输TEM模。但是，微带线中有两种介质，导体带上面为空气，导体带下面为介质基片，存在着空气-介质分界面，这种混合介质系统给微带的分析和设计带来了一定的复杂性。微带线中空气-介质分界面的存在，也使微带结构中不可能存在纯TEM模。经分析我们可以知道，微带线结构中模式的非TEM性质，是由于空气-介质界面处的边缘场分量Ex和Hx引起的，而与导体带下面基片中的场量相比，这些边缘场分量很小，所以微带中模的特性与TEM模相差很小，称之为准TEM模。

波导与微带的过渡，类似于波导到同轴的转接，也就是微带插入波导形成探针。由电磁理论知：任意一个沿探针方向的具有非零电场的波导模在探针的表面激励起电流，根据互易定理，当微带线上准TEM模向波导入射时产生的电流也同样激励起波导模。

V波段微带探针型波导微带转换电路，包括矩形波导、介质基板、微带探针、四分之一阻抗变换线和50欧姆微带传输线，所述微带探针、四分之一阻抗变换线和50欧姆微带传输线设置在介质基板上，所述介质基板的底面焊接在矩形波导上；V波段的毫米波信号从矩形波导口输入，通过微带探针和四分之一阻抗变换线进行模式转换，最后从50欧姆传输线传输输出。微带探针、四分之一阻抗变换线和50欧姆传输线依次顺序连接。

介质基板厚度为5mil；介质基板上微带探针所处的底面为绝缘材质，无金属附着。

微带探针长度为0.75mm，宽度为0.3mm。

四分之一阻抗变换线长度为0.3mm，宽度为0.18mm。

50欧姆微带传输线的宽度为0.38mm。

微带探针的中心到矩形波导的波导终端短路之间距离为λ/4，λ为电磁波的工作波长；电磁波的工作波长λ的取值范围为1.25mm至1.35mm。

介质基板通过无铅焊料烧焊在矩形波导的宽边方向，并居中烧焊。

较优地，矩形波导的材质为黄铜，矩形波导表面镀金，矩形波导内表面光洁度小于0.8。

较优地，介质基板通过光刻工艺制作。

为了与矩形波导的主模TE10耦合最紧，根据波导与微带模式电场分布的特点，微带探针从波导的宽边中心(a/2尺寸处)插入，即TE10模电场强度的最大处。由于探针的末端电流为零，故对于微带探针来说，假设其电流是均匀按正弦驻波分布，其电流可表达为式(1)：

I＝I₀×Sin[ω₀(d-y)]     (1)

其中，I₀为电流振幅，ω₀为初始角频率，d为探针插入深度，0≤y≤d，y为初始误差修正值，通常y值很小，可以忽略不计。因为微带探针辐射总功耗P＝2[P_s+jω(w_m-w_e)]，所以由P＝I²Z_in可得到微带探针的输入阻抗为：

$Z_{\mathrm{in}}=R_{\mathrm{IN}}+j{X}_{\mathrm{IN}}=\frac{P_s+j2\mathrm{\ω}(w_m-w_e)}{\frac{1}{2}{I}_0^2{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\ω}}_{0}d}---\left(2\right)$

式中实部R_IN为微带探针的辐射电阻，虚部X_IN为微带探针的输入电抗，P_s为辐射到波导的功率，w_m-w_e为高次模激励所产生的存在于探针周围所储的无功能量的净时间平均值；

用已求得的P_s获取微带探针的辐射电阻R_IN：

$R_{\mathrm{IN}}=\frac{2Z_0}{\mathrm{ab}{\mathrm{\β}}_{10}}{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\β}}_{10}l{\tan }^2{\mathrm{\ω}}_0\frac{d}{2}---\left(3\right)$

同理，微带探针的输入电抗X_IN为：

$X_{\mathrm{IN}}=\frac{Z_0}{\mathrm{ab}{\mathrm{\β}}_{10}{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\β}}_{10}l{\tan }^2{\mathrm{\ω}}_0\frac{d}{2}---\left(4\right)$

其中，l为微带探针的中心到矩形波导的波导终端短路之间距离(短路面的位置)，d为微带探针插入矩形波导的深度，a为矩形波导的宽边的宽度(波导宽边尺寸)，b为矩形波导的窄边的宽度(波导窄边尺寸)；β₁₀为波导传输模系数；

从式(3)，(4)可看出：R_IN、X_IN随参数l(短路面的位置)、d(探针插入的深度)的变化而变化，通过调整R_IN使其等于微带的特性阻抗，并调整X_IN以抵消激励高次模的电抗，此时微带探针的输入阻抗为近似纯阻，探针在波导内处于最大电压，即电场最强的波腹位置，同时微带探针中心到波导终端短路长度取λ/4(λ为电磁波的工作波长)，因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为λ/2，取λ/4的短路长度，以达到尽量高的耦合效率，例如90％以上，使其传输的功率达到最大值。在微带探针的设计中，探针的输入阻抗是探针宽度、长度、波导终端短路距离以及频率的函数，由于探针过渡具有容性电抗，用一段高感抗线抵消其电容效应，这样可以减小插损，但频带的宽度相应地减小了，最后利用四分之一阻抗变换器实现与50Ω标准微带线的阻抗匹配。

与现有技术相比，本发明在设计时充分考虑了微波信号在矩形波导中传输时其非主模模式的辐射因素，并结合最新的三维电磁场仿真软件，其计算结果更为精确，可以更好地指导电路板的工艺制作。实际制作的电路，经过试验测试证明，其插入损耗明显较可见报道的V波段微带探针型波导微带转换电路的插入损耗更小。

附图说明

图1为本发明微带探针型波导微带转换电路原理框图；

图2为本发明微带探针型波导微带转换电路组成示意图；图2a为本发明正视图，图2b为本发明侧视图；

图3为本发明微带探针型波导微带转换电路电路板版图；图3a为微带探针正面电路板版图，3b为微带探针背面电路板版图；

图4为本发明微带探针型波导微带转换电路装配示意图；图4a为微带探针装配俯视图，4b为微带探针装配侧视图；

图5为本发明微带探针型波导微带转换电路仿真结果截图；

图6为本发明微带探针型波导微带转换电路测试系统示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，本发明包括矩形波导1、微带探针3、四分之一阻抗变换线4及50欧姆微带传输线5，其中微带探针3、四分之一阻抗变换线4及50欧姆微带传输线5制作在同一张介质基板2上。V波段的毫米波信号从矩形波导口1输入，通过微带探针3和四分之一阻抗变换线4进行模式转换，最后从50欧姆传输线5传输输出。

参阅图2，V波段微带探针型波导微带转换电路由矩形波导1、微带探针3、四分之一阻抗变换器4及50欧姆微带传输线5组成。微带探针3、四分之一阻抗变换器4和50欧姆微带传输线5制作在一块介质基板2上，由于V波段频率很高，为了保证介质基板2制作的物理精度，需要通过光刻工艺来制作，而不能采取低频电路的腐蚀工艺。微带探针3的输入阻抗是探针宽度、深入波导腔体的长度以及探针中心到波导短路面6的距离的函数，从微波的传输模式上来说，微带探针型波导微带的转换电路将在矩形波导中传输的TE10模，转换成了微带探针传输线的准TEM模，然后再通过四分之一阻抗变换器于50欧姆微带传输线5的准TEM模形成匹配。在V波段毫米波的传输过程中，由于转换电路的阻抗不连续性，产生了驻波，但是经过优化设计，可以将回波损耗设计到一个比较理想的数值范围。通常，回波损耗越小，转换电路的插入损耗也就越小。如图2所示，微带探针从波导的宽边中心(a/2尺寸处)插入，即TE10模电场强度的最大处。

V波段微带探针型波导微带转换电路参数设计方法，包括以下步骤，

S01，计算微带探针3的输入阻抗Z_in：微带探针3从矩形波导1的宽边中心插入，假设微带探针3的电流均匀按正弦驻波分布，微带探针3的电流I的计算表达式为式(1)：

I＝I₀×Sin[ω₀(d-y)]     (1)

其中，I₀为电流振幅，ω₀为初始角频率，d为探针插入深度，0≤y≤d，y为初始误差修正值，忽略y不计；

微带探针辐射总功耗P＝2[P_s+jω(w_m-w_e)]，其中P_s为辐射到波导的功率，ω为工作角频率，w_m为高次模激励产生的总噪声功率，w_e为热噪声功率，由P＝I²Z_in可得到微带探针3的输入阻抗Z_in为：

$Z_{\mathrm{in}}=R_{\mathrm{IN}}+j{X}_{\mathrm{IN}}=\frac{P_s+j2\mathrm{\ω}(w_m-w_e)}{\frac{1}{2}{I}_0^2{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\ω}}_{0}d}---\left(2\right)$

式(2)中实部R_IN为微带探针3的辐射电阻，虚部X_IN为微带探针3的输入电抗，P_s为辐射到波导的功率，w_m-w_e为高次模激励所产生的存在于探针周围所储的无功能量的净时间平均值；

S02，计算用微带探针3的辐射电阻R_IN、微带探针3的输入电抗X_IN：用步骤S01计算的P_s获取微带探针3的辐射电阻R_IN：

$R_{\mathrm{IN}}=\frac{2Z_0}{\mathrm{ab}{\mathrm{\β}}_{10}}{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\β}}_{10}l{\tan }^2{\mathrm{\ω}}_0\frac{d}{2}$

Z₀为特性阻抗，a为波导宽边尺寸，b为波导窄边尺寸，β₁₀为波导传输模系数；

(3)

同理，微带探针3的输入电抗X_IN为：

$X_{\mathrm{IN}}=\frac{Z_0}{\mathrm{ab}{\mathrm{\β}}_{10}{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\β}}_{10}l{\tan }^2{\mathrm{\ω}}_0\frac{d}{2}---\left(4\right)$

其中，Z₀为特性阻抗，l为微带探针3的中心到矩形波导1的波导终端短路之间距离(短路面的位置)，d为微带探针3插入矩形波导1的深度，a为矩形波导1的宽边的宽度(波导宽边尺寸)，b为矩形波导1的窄边的宽度(波导窄边尺寸)；

S03，调整l和d，使微带探针3在矩形波导1内处于最大电压：式(3)，(4)中，R_IN、X_IN随参数l(短路面的位置)、d(探针插入的深度)的变化而变化，调整l、d使R_IN等于所述微带探针3的特性阻抗，调整X_IN以抵消激励高次模式(除主模外)的电抗，此时微带探针3的输入阻抗Z_in为纯阻，微带探针3在矩形波导1内处于最大电压；

S04，选取微带探针3的中心到矩形波导1的波导终端短路之间距离为λ/4，在微带探针3的设计中，调整微带探针3长度和宽度，仿真获取整微带探针3的输入阻抗，选取微带探针3的输入阻抗最小时的微带探针3长度和宽度作为微带探针3长度和宽度最优值；

S05，由于探针过渡具有容性电抗，用一段高感抗线抵消其电容效应，这样可以减小插损，但频带的宽度相应地减小了，所述高感抗线为四分之一阻抗变换线4；利用四分之一阻抗变换器实现与50Ω标准微带线的阻抗匹配。

从式(3)，(4)可看出：R_IN、X_IN随参数l(短路面的位置)、d(探针插入的深度)的变化而变化，通过调整R_IN使其等于微带的特性阻抗，并调整X_IN以抵消激励高次模的电抗，此时微带探针3的输入阻抗为近似纯阻，探针在波导内处于最大电压，即电场最强的波腹位置，同时微带探针中心3到波导终端短路(请参见图2中短路面6)长度取λ/4(λ为电磁波的工作波长)，因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为λ/2，取λ/4的短路长度，以达到尽量高的耦合效率，例如90％以上，使其传输的功率达到最大值。在微带探针3的设计中，探针的输入阻抗是探针宽度、长度、波导终端短路距离以及频率的函数，由于探针过渡具有容性电抗，用一段高感抗线抵消其电容效应，这样可以减小插损，但频带的宽度相应地减小了，最后利用四分之一阻抗变换器实现与50Ω标准微带线的阻抗匹配。

按照本发明的设计方法，制作的V波段微带探针型波导微带转换电路的电路板如图3所示，图3a为微带探针正面电路板版图，图3b为微带探针背面电路板版图。介质基板2采用Rogers公司的RT5880(厚度为5mil)制作，阴影部分为金属(覆铜并镀金)，空白部分是介质。其中长度为l1、宽度为w1的部分即微带探针3，不同于其他传输线，微带探针3的底面没有金属层；长度为l2、宽度为w2的部分是四分之一阻抗变换器4，起到了从探针端输入阻抗变换到50欧姆标准阻抗的作用；宽度为w50的即50欧姆微带传输线。根据仿真软件的计算结果，l1＝0.75mm，w1＝0.3mm；l2＝0.3mm，w2＝0.18mm；w50＝0.38mm。仿真结果如图5所示，工作频率在55GHz到65GHz的范围内，本发明的回波损耗为小于-22dB，插入损耗为小于-0.1dB。

为了验证该本发明技术方案，需要装配测试平台。按照图4的装配方法(图4a为微带探针装配俯视图，4b为微带探针装配侧视图)；，将制作好的微带探针电路，用无铅焊料(NP303)在220℃条件下烧焊在标准BJ740波导口的宽边方向(图示标注为a的边)居中处即可，但必须保证微带探针的中心距离波导短路面6的长度为d＝1.3mm。其中，标准BJ740矩形波导口的宽和高分别为a＝3.1mm，b＝1.55mm。矩形波导采用黄铜(H62)制作，表面镀金，其中波导内部光洁度要求小于0.8。

最后，按照图6的连接方式，使用矢量网络分析仪7测试完成装配的微带转换电路8(即被测件)，测试结果如下：频率范围为55GHz到65GHz，带内回波损耗小于-22dB，插入损耗为-0.22dB(包含测试系统的固有损耗)。

以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.V波段微带探针型波导微带转换电路，其特征在于，包括矩形波导(1)、介质基板(2)、微带探针(3)、四分之一阻抗变换线(4)和50欧姆微带传输线(5)，所述微带探针(3)、四分之一阻抗变换线(4)和50欧姆微带传输线(5)设置在介质基板(2)上，所述介质基板(2)的底面焊接在矩形波导(1)上；

所述介质基板(2)厚度为5mil；所述介质基板(2)上微带探针(3)所处的底面为绝缘材质；

所述微带探针(3)长度为0.75mm，宽度为0.3mm；

所述四分之一阻抗变换线(4)长度为0.3mm，宽度为0.18mm；

所述50欧姆微带传输线(5)的宽度为0.38mm；

所述微带探针(3)的中心到矩形波导(1)的波导终端短路之间距离为λ/4，λ为电磁波的工作波长；

所述介质基板(2)通过无铅焊料烧焊在矩形波导(1)的宽边方向，并居中烧焊。

2.根据权利要求1所述的V波段微带探针型波导微带转换电路，其特征在于，所述矩形波导(1)的材质为黄铜，所述矩形波导(1)表面镀金，所述矩形波导(1)内表面光洁度小于0.8。

3.根据权利要求1所述的V波段微带探针型波导微带转换电路，其特征在于，所述介质基板(2)通过光刻工艺制作。

4.根据权利要求1所述的V波段微带探针型波导微带转换电路，其特征在于，所述电磁波的工作波长λ的取值范围为1.25mm至1.35mm。

5.V波段微带探针型波导微带转换电路参数设计方法，其特征在于，包括以下步骤，

S01，计算微带探针(3)的输入阻抗Z_in：微带探针(3)从矩形波导(1)的宽边中心插入，假设微带探针(3)的电流按正弦驻波分布，微带探针(3)的电流I的计算表达式为式(1)：

I＝I₀×Sin[ω₀(d-y)]     (1)

其中，I₀为电流振幅，ω₀为初始角频率，d为微带探针插入深度，0≤y≤d，y为初始误差修正值，忽略y不计；

微带探针辐射总功耗P＝2[P_s+jω(w_m-w_e)]，其中P_s为辐射到波导的功率，ω为工作角频率，w_m为高次模激励产生的总噪声功率，w_e为热噪声功率，由P＝I²Z_in可得到微带探针(3)的输入阻抗Z_in为：

$Z_{\mathrm{in}}=R_{\mathrm{IN}}+j{X}_{\mathrm{IN}}=\frac{P_s+j2\mathrm{\ω}(w_m-w_e)}{\frac{1}{2}{I}_0^2{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\ω}}_{0}d}---\left(2\right)$

式中实部R_IN为微带探针(3)的辐射电阻，虚部X_IN为微带探针(3)的输入电抗，P_s为辐射到波导的功率；

S02，计算用微带探针(3)的辐射电阻R_IN、微带探针(3)的输入电抗X_IN：用步骤S01计算的P_s获取微带探针(3)的辐射电阻R_IN：

$R_{\mathrm{IN}}=\frac{2Z_0}{\mathrm{ab}{\mathrm{\β}}_{10}}{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\β}}_{10}l{\tan }^2{\mathrm{\ω}}_0\frac{d}{2}---\left(3\right)$

微带探针3的输入电抗X_IN为：

$X_{\mathrm{IN}}=\frac{Z_0}{\mathrm{ab}{\mathrm{\β}}_{10}{\mathrm{\ω}}_0}{\mathrm{Sin}}^2{\mathrm{\β}}_{10}l{\tan }^2{\mathrm{\ω}}_0\frac{d}{2}---\left(4\right)$

其中，Z₀为特性阻抗，l为微带探针(3)的中心到矩形波导(1)的波导终端短路之间距离，d为微带探针(3)插入矩形波导(1)的深度，a为矩形波导(1)的宽边的宽度，b为矩形波导(1)的窄边的宽度；β₁₀为波导传输模系数；

S03，调整l和d，使微带探针(3)在矩形波导(1)内处于最大电压：式(3)、(4)中，R_IN、X_IN随参数l、d的变化而变化，调整l、d使R_IN等于所述微带探针(3)的特性阻抗，调整X_IN以抵消激励高次模式的电抗，此时微带探针(3)的输入阻抗Z_in为纯阻，微带探针(3)在矩形波导(1)内处于最大电压；

S04，选取微带探针(3)的中心到矩形波导(1)的波导终端短路之间距离为λ/4，调整微带探针(3)长度和宽度，仿真获取整微带探针(3)的输入阻抗，选取微带探针(3)的输入阻抗最小时的微带探针(3)长度和宽度作为微带探针(3)长度和宽度最优值；

S05，利用四分之一阻抗变换器实现与50Ω标准微带线的阻抗匹配。