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、結構簡單、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)微帶同軸轉換。

    在低頻微波電路中，微帶同軸轉換一般的連接方式是同軸的內(nèi)導體直接焊接在微帶的金屬帶線上，外導體和微帶線的地安裝在一起，這種結構在低頻段對轉接口的駐波和插入損耗影響都很小。但隨著微波技術的發(fā)展，整機系統(tǒng)使用的微波信號頻率越來越高，這對微波信號在傳輸過程的損耗和轉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隨著頻率的增加而增大，因此對微帶同軸轉換在高頻段性能研究變得更加重要。本文設計了一種毫米波頻段微帶同軸轉換，通過增加補償孔的方式提高微帶同軸轉換的性能。

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，結構如圖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，微波信號在微帶線上傳輸時，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。

式中，ε_r是微帶介質(zhì)基片的相對介電常數(shù)。

    金屬帶線厚度t≠0時，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W_e的微帶線。等效寬度W_e為：

1.2 同軸線

    同軸線是由兩根同軸的圓柱導體組成的導波系統(tǒng)，分別稱為內(nèi)導體和外導體，內(nèi)外導體之間是空氣或者相對介電常數(shù)為ε_r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。

    (1)同軸線的特性阻抗為：

其中，a是內(nèi)導體的外徑，b是外導體的內(nèi)徑，ε_r是內(nèi)外導體之間填充介質(zhì)的相對介電常數(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 微帶同軸轉換補償孔設計方法

2.1 設計方法

    一般微帶同軸轉換直接連接的方式如圖4所示，同軸連接器內(nèi)導體直接焊接在微帶線上，外導體安裝在殼體上，微帶同軸這種不同傳輸線之間的轉換很難給出一個精確的計算公式。從電路理論分析，微帶同軸轉換結構相當于在同軸和微帶線之間并聯(lián)了一個電容C，如圖5所示。在低頻段時，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，部分傳輸信號開始被反射，造成轉換結構的駐波和插入損耗都明顯增大。借鑒同軸傳輸線的高抗補償法^[4-8]，在微帶同軸轉換界面處增加一段補償孔，補償孔的示意圖如圖6所示，補償孔的主要作用體現(xiàn)在兩個方面：(1)減小微帶同軸轉換結構并聯(lián)電容的容值；(2)在轉換結構中增加一段感性空氣介質(zhì)的同軸線，對并聯(lián)電容進行調(diào)諧，進而對轉換結構的駐波和插入損耗進行改善。

2.2 仿真分析

    為了方便仿真和實測對比，本文采用“背靠背”結構進行建模仿真，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)導體直徑D₁=0.3 mm，外導體直徑D₂=2.0 mm。微帶線焊接在一個密閉的金屬槽內(nèi)，同軸外導體安裝在殼體的穿墻孔內(nèi)，同軸內(nèi)導體與微帶線的金屬帶線通過焊錫連接，在同軸內(nèi)導體與微帶線之間添加焊錫，用以模擬焊錫量對微帶同軸轉換的影響。

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

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

    按照仿真的轉換結構尺寸制作實物，實物的同軸接口采用可拆卸式連接器和絕緣子相結合的方式。為了對比增加補償孔后實物性能改善效果，同時加工了無補償孔的微帶同軸轉換結構，組裝后的微帶同軸轉換如圖10所示。

    利用矢量網(wǎng)絡分析儀對微帶同軸轉換進行測量，測試結果以及結果匯總如圖11所示。

    由圖11的測試數(shù)據(jù)對比可知，轉換結構的VSWR由3降低到1.5以下，插入損耗由4 dB下降到2 dB，因此增加了補償孔的轉換結構可以有效地降低微帶同軸轉換結構的駐波和插入損耗，改善微帶同軸轉換結構的平坦度。但轉換結構的插入損耗測試結果比仿真結果大，這主要是由于以下幾個方面造成的：(1)所用矢量網(wǎng)絡分析儀的測試接口是2.4 mm同軸接口，微帶同軸轉換結構的接口是2.92 mm同軸接口，所以最終測試結果中包含兩個2.4～2.92轉接頭的插入損耗；(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，實際組裝過程中不可避免地存在組裝誤差，所以測試結果中插入損耗比仿真結果稍差。

3 結語

    本文設計了一種毫米頻段的微帶同軸轉換結構，與以往的直接連接相比，本文所設計微帶同軸轉換結構增加一段補償孔，經(jīng)過仿真和實物測試的結果對比，可以看出增加補償孔后的微帶同軸轉換結構駐波、插入損耗以及平坦度都有明顯改善。

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作者信息:

王  健，陳  林，阮曉明，姚武生

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