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硕士学位论文 k k a 波段低损耗微带波导转换设计 摘要 本文就几种常见的微带一波导过渡技术进行了介绍。通过比较，结合实际工程的 要求，选定了具有低插入损耗、宽频带特性的e 面和h 面探针两种过渡技术来设计微 带波导转换器。文中就e 面和h 面探针技术给出了详细的理论分析和等效电路模型。 本文分别采用e 面探针和h 面探针技术设计了k ( 1 8 - - 2 6 5 g h z ) 、k a ( 2 6 5 - - - 4 0 g h z ) 全频段微带波导转换器。设计过程基于阻抗匹配原理，并使用h f s s 软件对 微带探针、短路面与探针距离以及屏蔽腔结构的分析和优化，得出过渡段在k 、k a 波段优化的数据。仿真结果表明在k 、k a 波段内插入损耗为0 0 8 o 1 2 d b 。达到了 较好的性能，满足了项目要求。 ， 文中针对k a 波段全频带内插入损耗变化很大，尤其是高频插入损耗恶化严重的 问题，对两种结构进行了改进，仿真结果表明，该改进结构改善了这项性能。 关键词：k 波段，k a t i e ：，e 面探针，h 面探针，微带波导过渡 硕士学位论文 a b s t r a c t t h i s p a p e rp r e s e n t ss e v e r a lm i c r o s t r i p t o w a v e g u i d et r a n s i t i o n st e c h n o l o g i e s a n d c o m p a r ee a c ht e c h n o l o g y a c c o r d i n gt op r o j e c tn e e d s ，c h o o s ee p l a n ep r o b ea n dh - p l a n e p r o b et r a n s i t i o nt e c h n o l o g yt od e s i g nm i c r o s t r i p - t o - w a v e g u i d et r a n s i t i o n s t h et r a n s i t i o n s h a v e l o wi n s e r t i o nl o s sa n db r o a db a n d w i d l f u l lk - b a n da n df u l lk a - b a n dm i c r o s t r i p - t o - w a v e g u i d et r a n s i t i o n sh a v eb e e n d e s i g n e d ，u s i n ge - p l a n ep r o b ea n dh - p a i n ep r o b e t r a n s i t i o n t e c h n o l o g y b a s e d o i l i m p e d a n c em a t c h i n gp r i n c i p l e , u s i n gh f s ss o f t w a r e ，t h eo p t i m i z e dd e s i g nd a t es u n c ha s t h ep r o b ed i m e n s i o n st h ed i s t a n c eo fw a v e g u i d eb a c k s h o r tf r o mt h ep r o b e ，a n dt h e s t r u c t u r eo fs h i e l d i n gc a v i t y , a r ep r e s e n t e d t h es i m u l a t es h o wt h a tt h ei n s e r t i o nl o s si s a b o u t0 0 8t 0o 1 2d b b e c a s et h ev a r i e t yo fi n s e r t i o nl o s si nf u l lk a - b a n di sb i g ai m p r o v e m e n tc o n f i g u r a t i o n i sd e s i g na n dt h es i m u l a t es h o wt h a tt h ep e r f o r m a n c ei si m p r o v e k e y w o r d s ：k - b a n d ，k a - b a n d ，e p r o b e ，h - p r o b e ，m i e r o s t r i p - t o w a v e g u i d et r a n s i t i o n s l i 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名： ：年e 月3 d 日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 硕士学位论文k k a 波段低损耗微带波导转换设计 1 绪论 1 1 课题应用及其意义 随着毫米波技术在现代无线通信系统中的广泛应用，各种高性能毫米波集成电路 的需求也日趋增长。矩形金属波导是微波毫米波频段的重要传输线形式，由于具有 高功率容量和高q 值特性，在天线、测量系统、滤波器、低损耗传输部件中广泛应用， 微带线是现有毫米波集成电路中十分重要的传输线形式。然而，现有的各种毫米波集 成系统之间的连接以及毫米波测量系统和器件主要仍采用金属波导结构。因此如何实 现微带到波导的转换就成了人们日益关注的话题。 随着微波单片集成电路( m m i c s ) 越来越多应用于微波毫米波系统，在微波毫米 波电路和系统中经常需要进行两种传输线形式的转换。这种转换由波导一微带过渡电 路来完成。因此，波导到微带过渡结构性能的优劣便成为影响系统特性的关键因素之 一。 本课题对微带一波导相关技术的研究，将为相关毫米波雷达系统、通信系统和工 程化应用提供关键技术支持。 1 2 微带一波导过渡技术简介 尽管目前微带电路正在越来越多的场合取代金属空波导，成为制作微波毫米波元 器件的重要传输线，但是目前大多数实验设备都以标准矩形波导作为其输入接口，因 而集成微带电路的性能检测都必须通过具有宽带特性的波导一微带过渡装置来完成。 同时为了便于天馈以及独立微带电路之间的连接，常常需要电路从微带电路输入输出 端口通过转换结构过渡到矩形波导。另外在需要将信号做一段传输时，也必须将电路 从微带转换至矩形波导，以降低传输损耗。由于以上的原因在本设计中也必不可少的 需要微带矩形波导过渡结构。对微带矩形波导过渡结构的基本要求是： ( 1 ) 传输损耗要低，回波损耗要高，而且应有足够的频带宽度。也就是保证信号 能量的单向低耗传输，即在输入端，从信号源出口到微带电路输入口的损耗应尽量小， 而从微带电路反射的信号不或尽量小的传至信号源。在电路输出端情况恰好相反。 ( 2 ) 装卸容易，并具有良好的重复性和一致性。 ( 3 ) 与电路协调设计，并便于加工制作。 标准矩形波导与微带、悬置微带间的转换方式有很多种。主要是微带一加脊波导 过渡、波导一微带探针、波导鳍线微带、微带一同轴线一波导。 l 绪论硕士学位论文 1 2 1 微带一加脊波导过渡结构 对于图1 2 1 所示阶梯加脊波导结构，通过一段宽带阶梯加脊波导把矩形波导的 主模波阻抗变化到微带特性阻抗以实现过渡的目的。加脊波导由一些州4 减高波导段 组成，以便使波导高度从b 逐渐变化到微带的金属条带的厚度。实验证明，采用四个 阶梯，即一个导行波长长度，就可提供全波段带宽。在k a 频段，这种过渡器的插损 已经可以做到0 2 5 r i b ，其驻波约为1 3 。而在w 频段，全频段插损约为0 5 d b ，驻波 1 5 左右。显然，在这种结构中，阶梯数目的减少就会缩短过渡的物理长度，从而使 过渡段乃至整个电路更为紧凑，但这样作要以牺牲带宽为代价。这种紧凑结构的优点 是可以把过渡段埋其在电路的封装外壳壁内，因而并不增加整个电路体积。所以，在 实际采用加脊波导过渡段时，可以根据电路的工作带宽选择阶梯数目。阶梯加脊波导 过渡虽然是一种简单而又有良好过渡特性的结构，但需要准确的机械加工条件，这就 必然导致集成电路屏蔽外壳成本过高，特别对短毫米波频段更是如此。 图1 2 1 阶梯加脊波导过渡结构 阶梯过渡段也可用渐变线过渡器，其中采用余弦过渡方式最为普遍。余弦渐变过 渡器便于机械加工，因而制造成本相对较低。由于它在同样过渡特性时的实际长度比 阶梯型过渡器要长，因而是一种增大体积为代价的结构。实验证明，采用余弦渐变过 渡可以在带宽中心对应的三个波长长度内获得极好的过渡特性。 在实际应用中，一个不可忽视的附加因素是过渡器的气度要求。鉴于很多微带电 路，特别是军用微带电路，为保证能在各种恶劣环境条件下性能的稳定性，就需对整 个电路加以密封。在阶梯加脊或渐变加脊过渡器中，采用波导窗就很容易达到这个目 的。但需注意，波导窗的加入往往会造成带宽特性下降，一般可能把带宽降低5 左 右。 1 2 2 微带鳍线波导过渡结构 1 9 7 2 年p j m e i e r 提出鳍线是一种便于微波集成电路的新型平面结构【1 6 1 。从本质 上来说，鳍线是毫米波混合集成电路常用的一种传输线，。它不是一种严格的“平面” 结构，而是在矩形波导的e 面嵌入槽线所组成的准平面结构，也可以认为是介质基片 2 硕士学位论文k k a 波段低损耗徽带波导转换设计 加载的双脊波导，实际使用的鳍线有单面鳍线、双面鳍线、对极鳍线、单面绝缘鳍线 和双面绝缘鳍线这几种基本结构，其横截面示意于图1 2 2 。它的传播模式不是t e m 模而是t e 和t m 组成的混合模，色散弱，单模带宽大，衰减也不大，正是由于它具 有低损耗和宽带的特性j 而且兼容于渐变槽天线和矩形波导，鳍线阵列或者矩形波导 内的槽线已经用来实现了空间功率合成。具体说来鳍线有如下优点： ( 1 ) 在毫米波频段，它的电路尺寸都可以与梁式引线器件( b e a m l e a d i n g d e v i c e s ) 和半导体芯片( c h i p ) 器件相容，因而对有源无源电路的集成提供了条件。 ( 2 ) 对某一固定频率而言，它的导行波长比微带中的导行波长长，因而允许的 尺寸公差小于微带，即相对于微带来讲，电路的加工公差不那么严格，而对金属矩形 波导盒内壁公差的要求更宽松。 ( 3 ) 不像微带那样，它本身的屏蔽外壳可直接用标准的矩形波导代替，因而电 路性能的检测，与其他系统的连接可以在整个波导带宽内实现。 ( 4 ) 相对于微带电路来说，它的传输损耗低，因而多个电路集成时，无需模式 滤波器和去耦隔离装置。 一 ( a ) 簟r 曲i 鳍线 ( b ) 双面鳍线 基片， 一一一 ( c ) 对极鳍线( d ) 译面绝缘鳍线( e ) 双面绝缘鳍线 图1 2 2 鳍线横截面结构不慈图 1 2 3 微带一同轴线波导过渡结构 波导一同轴线一微带过渡器常用于卫星通信接收单元( 又称高频头) 之中。其缝 构如图1 2 3 ( a ) 所示。波导的输入口为一个固定连接用的法兰盘( 与天线的馈源相连) ， 波导的另一端是封闭的短路面。探针一头从矩形波导的宽边插入，并伸入到波导之中； 另一端与微带线相连。连接两端的是一小段同轴线。如图1 2 3 ( b ) 所示。 1 1 绪论 硕士学位论文 i d ef l a o g e - 一1 a b 一- - n ( b ) 图1 2 3 波导一同轴一微带过渡器结构示意图 这种结构的优点是密封性好，机械复杂度低，易于加工，成本低廉，被广泛应用 于军事、民用等诸多领域。缺点是加工工艺要求高，一般需要手动调试来控制耦合量 和激励位置，有一定的难度。它的分析可以用图1 2 4 的等效电路模型来表示。 图1 2 4 波导一同轴一微带过渡器等效电路模型 通过调整伸进波导的探针长度d 和短路面的距离l ，可以改变z p ，使z i i l 与微带 线完全匹配。由于探针长度与短路面的距离受机械加工的影响比较大，加工精度很难 保证。因此设计时，要保证过渡器的带宽足够大。另外可以在波导内加调谐螺钉来克 服加工误差。 1 2 4 微带探针波导过渡结构 探针型过渡结构又可以分为两种类型。一种为探针方向与波导中波传播方向平 行，称为h 面探针结构，如图1 2 5 所示；另一种为探针方向与波导中波传播方向垂 直，称为e 面探针结构，如图1 2 6 所示。这种过渡通过一段起耦合探针作用的微带 线把波导中的电场耦合到微带中去，矩形波导中离开过渡器的短路活塞起保证探针在 波导内处于最大电压，即电场最强位置的作用。介质基片穿过矩形波导安装。以提供 一个波导窗并提供基片定位保证，因此构成一种密封结构。 4 s 。t s sa 硕士学位论文 k k a 波段低损耗微带一波导转换设计 ( a ) ( b ) 图1 2 5 微带一矩形波导水平过渡结构示意图 b a c k s h o r t ( a ) 1 3 本论文的任务 ( b ) 图1 2 6 微带一矩形波导垂直过渡结构示意图 分析和研究常用的微带一波导过渡结构。根据项目的具体要求，确定几种结构来 设计微带一波导转换器，并就该结构给出理论分析和等效模型，以及详细的设计流程。 微带一波导过渡器的具体指标如下： 工作频率：k ( 18 - 2 6 5 g h z ) ，k a ( 2 6 5 - - 4 0 g h z ) 插入损耗： o 5 d b 带内波动：0 5 d b 驻波比： 1 5 本论文结构安排如下： 第一章简要介绍了论文研究的意义，就各种微带一波导过渡结构做了下介绍， 并比较了各自的优缺点，以及使用的范围。 第二章微带线基础理论的介绍以及矩形波导基础理论的介绍 s 1 绪论硕士学位论文 第三章通过比较常用的微带一波导过渡结构，根据项目要求选定其中的结构来 设计微带一波导转换器，并对选定的结构进行理论分析和等效模型分析。 第四章k 波段微带探针一波导过渡结构的设计。分别设计了e 面探针和h 面探 针两种结构，并使用高频仿真软件h f s s 进行建模和优化。结果达到设计的要求。， 第五章k a 波段微带探针一波导过渡结构的设计。分别设计了e 面探针和h 面 探针两种结构，并使用高频仿真软件h f s s 进行建模和优化。针对高频端差损恶化较 快的情况，对模型进行了改进，仿真结果表明很好的改善了此项性能，达到了设计的 要求。最后针对h 面探针给出了敏感性分析，分析结果表明该设计具有很好的稳定 性可以容忍较大的加工公差。 6 硕士学位论文k k a 波段低损耗微带波导转换设计 2 微波传输线基本理论 微波和毫米波信号的有效传输都离不开低损耗的传输媒质。其中，应用较为广泛 的有微带，同轴线和主模波导三种。本课题中主要涉及的传输媒质为微带和主模波导， 先分别介绍其基本理论和传输特性。 2 1 微带线基础 微波和毫米波系统，都离不开低损耗的传输媒介。同轴线和主模波导，已不能完 全适应毫米波系统的要求，尤其在体积、重量和可靠性方面。微带线是微波传输线的 一种，随着科技的发展，微带的工作频率已经提高到1 1 0 g h z ，微带在很多地方已逐 步取代波导或者与波导、同轴等传统的毫米波传输线相结合来制作可靠的、体积小、 重量轻的电路与系统。 有关微带的分析方法和数值求解问题，人们做过很多研究。在各种解法中，比较 简单实用的是窀静态分析法。在准静态分析法中，类微带传输模近似为纯t e m 模， 其传输特性通过静态电容来计算。事实证明，在条带宽和介质厚度远小于介质中的波 长时，这种方法所得的结果已能满足电路的精度。另一方面，全波分析方法考虑了微 带线的混合传输模，其传输特性通过确定传播常数来计算。 2 1 1 微带线的特性阻抗和相速 特性阻抗和相速是任何微波传输线的最主要的两个参量。前者与阻抗匹配有关， 后者决定传输线的电长度和几何长度的关系。传输线的特性阻抗及相速，均是对一定 的波型而言。例如对同轴线，一般指t e m 型；对于一般矩形波导，通常指h i o 型，其 他的波型称为杂型或高次型，应设法加以抑制。微带线虽系由平行双线演变而来，但 因导体之间夹入了介质基片，使情况复杂化。用电磁场原理可以证明这时微带线传输 的电磁波不是纯粹的横电磁波，而会出现各种杂波型【4 】。但如尽量缩小微带横截面尺 寸，使带条宽度w 和基片高度h 均远小于a “2 s ，) ( 其中九为工作波长，r 为基片材 料堆真空的相对介电常数) ，则杂波型极小，可以近似的看成为t e m 波。由于它和同 轴线均匀介质中的t e m 波略有差别，故称为准t e m 波，但可近似的认为其横截面 电力线分布大致如图2 1 1 所示。 图2 1 1 微带横截面电场分布 2 微波传输线基本理论硕士学位论文 对于t e m 波，根据长线方程，传输线的特性阻抗z o 和相速v p 分别为： z o = 厝 ( 2 1 1 1 ) 驴赢 亿l l 2 其中k 和c 0 分别为传输线的分布电感和分布电容。特性阻抗为传输线上行波电 压和行波电流，或入射波电压对入射波电流之比；相速则表示电磁波在传输线上的行 进速度。由于波的速度系以等相位点向前移动的速度表示，故又称为相速。当传输线 的分布电感与分布电容求得后，即可根据上式分别求出z 0 和v p 。 根据t e m 波的特性，其横截面上某一瞬间电场和磁场的分布和该传输线无限长、 无限均匀时的静电场与静磁场分布完全一致，故c o 和k 可分别按静电场和恒定磁场 来计算。 由( 2 1 1 ) 式和( 2 1 2 ) 式，得： z 0 - - 去 旺l l 3 ) 即已知分布电容和相速后，也可直接求得线的特性阻抗； 当传输线全部处在空气或真空中时，v - - - , c = 3 x1 0 8 米秒。当传输线全部处于相对 介电常数为，的介质中时，则咋= 辜。微带线的部分电场在介质中分在空气中， q r 空气和介质对其相速都有影响，其影响相对大小，由电场在这分占据范围的相对大小， 以及介质和导体边界的形状与尺寸所决定，但可以肯其相速一定在c 和睾范围之 q s r 间。为此，用有效介电常数c 这一参量来表示此种影响，并令v p 为： = 辜 ( 2 1 1 4 ) s i f 的值介于( 1 一，) 之间，和介质填充的几何形状与尺寸有关，常近似为： 乞= 孚+ 字c + 钞2 匀 现在有些文献中，( 2 1 1 5 ) 式中的系数1 0 用1 2 来代替。当w h 很大时c 一岛 这是因为带条很宽可认为全部电力线在介质内。当w h 很d 、时，8 e 一生芸相当 于空气和介质的平均值。故e 在此两个极端值的范围之内。有时把e 写成： 乞= 1 + g ( 一1 ) ( 2 1 1 6 ) r 硕十学位论文k k a 波段低损耗微带波导转换设计 其中q 称为填充系数，表示介质填充程度。当介质全部填充时，q = l ，则e ；e - - - - i - 。 可以证明：q 主要取决于微带线横截面形状。办即决定于w h 的值，而和介电常 数，的关系较小。当，产生微小变化时，q 值基本上不变。应用此概念，当基片的介 电常数产生不大的变化时，应用式( 2 i 1 6 ) 可求得。的变化值。根据。的物理意义， 并假定保持导体形状尺寸不变，但去掉介质后空气中的微带线分布电容为四，则有： 1 四= 丑或c o = 占，c o o ( 2 i i 7 ) 6 e 空气微带线的特性阻抗z ：，按( 2 1 1 3 ) 式应为： 1 z o _ 六 ( 2 1 1 8 ) c 乙0 由( 2 1 1 3 ) 、( 2 1 1 4 ) 、( 2 1 1 7 ) 、( 2 1 1 8 ) 等式，可得： 7 0 z o = 睾 ( 2 1 i 9 ) s e 因此，求微带线的特性阻抗时，可先求同尺寸的空气微带线的特性阻抗，再 求介质基片存在时的有效介电常数& ，然后按( 2 1 1 9 ) 式来计算。 根据上述诸公式，也可以利用计算机算出各种不同介电常数r 下，各不同的w h 的微带线的有效介电常数e 和特性阻抗z o 。有效介电常数e 已知，则相速v p 也 可求出。 2 1 2 微带线的损耗 损耗是传输线的重要参量之一。大的线损往往是不允许的。尤其微带线的损耗要 比波导、同轴线大得多，在构成微带电路元件时，其影响必须予以重视。微带线的损 耗分成三部分： a 介质损耗p 。当电场通过介质时，由于介质分子交替极化和晶格来回碰撞， 而产生的热损耗。为了减小这部分损耗，应选择性能优良的介质基片、如r o g e r s 5 8 8 0 等基片材料，其损耗角正切比较小，0 2 5 4 m m 厚，适合用在毫米波波段。 b 导体损耗p 。微带线的导体带条和接地板均具有有限的电导率，电流通过时 必然引起热损耗。在高频情况下，趋肤效应减小了微带导体的有效截面积，更增大了 这部分损耗。由于微带线横截面尺寸远小于波导和同轴线，导体损耗也较大，是微带 线损耗的主要部分。 c 辐射损耗p ，。由微带线场结构的半开放性所引起。减小线的横截面尺寸时，这 部分损耗即很小，而只在线的不均匀点才比较显著。为避免辐射，减小衰减，并防止 对其它电路的影响，一般的微带电路均装在会属屏蔽盒中。 2 微波传输线基奉理论硕l ：学位论文 当用微带线构成腔体、滤波器等元件时，常常要考虑到品质因数q 的问题。q 值的定义如下： q = 一段微带线上的最大储能x2 一段微带线一个周期内的损耗能量 根据电磁理论，微带谐振器的无载品质因数q o 如下关系【2 l ： 上：上+ 上+ 上 ( 2 1 2 一1 一) = 一+ + ( z 1 ) 蜴绞qq 、 式中q 。为表征导体o h m 损耗的品质因数，q 。为表征介质衬底材料微波损耗的品质 因数，q r 为表征辐射损耗的品质因数。 根据定义，q o 还可表示为 q o ：6 0 0 f w o ( 2 1 2 2 ) 式中o 为谐振角频率，w o 为谐振器的总储能，p 为谐振器的总耗能，即 p = 只+ + e ( 2 1 2 3 ) 式中p 。为导体损耗，p 。为介质衬底材料损耗，p ，为辐射损耗。从( 2 1 2 1 ) 、( 2 1 2 2 ) 、( 2 1 2 3 ) 式可知，若增加q0 ，要求提高q 。、q 。和q ，或降低p 。、p 。和p ，【2 1 。 因此，损耗是微带线的重要参量之一。 2 1 - 3 微带线的色散特性 对微带线进行的分析，一般都认为微带线系工作于t e m 波，这在频率低是正 确的。当频率提高，而各种高次波型开始起作用时，按t e m 波分析得到的微带线 参量与实测结果之间的差距将加大。对于一般的微带线截面尺寸( w 和h 都是l m m 左右) ，实验结果表明，当工作频率低于5 0 0 0 m h z 时，微带线的相速、特性阻抗等 基本参量按t e m 波计算结果十分相近：但当f 5 0 0 0 m h z 以后，就开始有较大 的偏差，说明此时高次波型已经存在。高次型的存在，除了使参量偏离于按t e m 波 计算的结果外，还增加了辐射损耗，并引起电路各部分之间的互耦，使工作状况恶化。 在微带线中，高次波型主要有两种：波导波型和表面波型。前者在金属带条和接 地板之间存在，后者则只要在接地板上放一块介质基片即能存在。 ( 一) 波导波型 把微带线作为t e m 波处理时，认为其横截面上的电场磁场系按静电场、静磁声 规律分布，且场的纵向分量( 沿传播方向分量) 为零。实际上除了t e m 波以外，尚 有包含纵向场分量的波型存在。对于每一种波导波型，都存在一个临波长入。只有 当工作波长小于入。，该波型才能传播，否则就很快衰减。而入。则取决于微带线的横 截面尺寸、几何形状及基片的介电常数。 最易产生的波导波型是其最低型t e l o 和t m l o 波。t e l o 波型电场只有横向分量， 1 0 硕士学位论文k k a 波段低损耗微带一波导转换设计 磁场则存在纵向分量，而沿横截面高度方向电场磁场保持不变，沿横方向则驻波 变化一次( 即横向尺寸w 为半个驻波波长) ，在两边为电场波腹，中心为电场波节。 这种波型的临界波长恰等于在横截面横方向存在半个驻波时的波长，即： ( 以) 册o22 w 。q ( 2 1 - 3 1 ) 由于电场在两边存在边缘效应，等效于宽度增加w o 8 h ，故( 2 1 3 1 ) 改为： ( 五) 舢2 x t r , ( 2 w + 0 舰) ( 2 1 3 。2 ) 只有当工作波长小于此值时，该波型才能存在且沿线传播。 t m l o 波型的情况是磁场为只有横向分量，电场则具有纵向分量和横向分量。电 场横向分量在高度h 的两端是波腹，中心是波节；而纵向分量位置恰好相反。此波型 的临界波长也可按t e l o 型类似的方法来求，即在h 的高度上恰好存在半个驻波时相 应的波长即为其临界波长，即： ( 丸) 珊o l22 o h ( 2 1 3 3 ) ( 二) 表面波型 此种波型不需要导体带条，只要有接地板和介质基片即可维持其存在。其机理为： 由于导体表面有一层介质，该层介质能吸引电磁场使其不向外扩散，而只能沿导体板 的传播，故称为表面波。表面波的大部分电磁能量集中于导体和介质板附近，距离较 远时，电磁场即按指数规律衰减。 表面波同样有各种波型，每种波型都有其相应的临界波长，每个临界的值则和介 质板厚度h 及其相对介电常数e ，有关。对于最低的t m 型表面波，其临界波长为： ( 疋) 肼= ，亦即在所有的工作波长下，它都可能存在；对于最低的t m 型表面波， 其临界波长为：( 五k = 4 | l i o - 1 。 表面波的相速在光速c 和c 之间，而微带线准t e m 波的相速亦在此范围内。 当两者相速相同时，则要发生强耦合而不能工作。t e 型和t m 型表面波和微带线准 t e m 波产生强耦合时( 亦即相速相同时) 的频率分别为： 3 9 压 岛2 呵( 2 1 3 4 ) ，c 2 4 h c - 1 因此应令微带线工作频率低于f l t e 和f m ，以避免产生强耦合，否则微带线有可 能不工作于t e m 型，工作状况将完全破坏。 当微带线的尺寸和材料选择适当，使之在工作频率上抑制了高次波型，避免了强 2 微波传输线基本理论 硕士学位论文 耦合时，并不等于高次型的影响不存在，但此时微带线主要工作于准t e m 波，其它 波型的作用则反映在对微带线t e m 波参量的影响上。这种影响称微带线的色散效应。 当频率升高时，此种现象逐渐显著，以致必须将微带线的参量加以修正，才能用于电 路设计，否则误差太大。 2 1 4 耦合微带线 在本章的前面部分中，主要对单根均匀微带线的特性和基本参量进行了讨论，并 且指出：由于微带本身的特点以及高次波型的影响，微带电路各部分之间可能存在耦 合，因而降低了电路的性能。但是反过来，如果适当选取微带线的参量，使高次波型 不能存在，因此抑制了那些杂散的、无规律的耦合，而充分利用有规律的、并且其特 性可以进行控制的耦合，则可以利用它来构成各种耦合微带线元件，其电性能和结构 都很适合微带电路的要求。现在这种元件已广泛应用于滤波器和定向耦合器中。因此 本节将讨论耦合微带线的基本特性和等效电路。 图( 2 1 2 ) 是耦合微带线的结构。两根相同参量的微带线相互隔开距离s 平等排 列，即构成了耦合微带线。这彼此耦合的两根线也并非参量必须相同，在带状线元件 中，某些情况下是不同的；但在微带线元件中，以相同情况为主，因此在下面均按相 同微带线的耦合来进行分析。 l 怂裂彩， 电力线 磁力线 图( 2 1 2 ) 耦合微带线图( 2 1 3 ) 耦合微带线的电耦合和磁耦合图( 2 1 4 ) 耦合微带线的等效电路 上面说过，需要的是有规律、可以控制的耦合，这种耦合就是tem 波的耦合， 或类似静电、静磁的耦合。更通俗地说：就是通过两根线之间的互电容和互电感进行 耦合。如图( 2 1 3 ) 所示，整个一对耦合线，成了彼此之间具有分布互电容和互电感 的分布参数系统。图( 2 1 4 ) 则表示出耦合线的等效电路，其中的分布互电容和分布 互电感分别表示两根线之问的电耦合和磁耦合。 耦合微带线上的电压和电流的分布远比单根线的情况复杂，因为单根传输线是孤 立的分布参数系统，被激励后得到单一的电压波和电流波；而耦合微带线除了也是分 布参数外，还具有彼此问的耦合，因此两根线上的电压波和电流波有相互影响。例如 两根耦合线中的一根受到信号源激励时，其一部分能量将通过分布参数的耦合逐步转 移到另一根线上线性电路对诸谐波分量的响应是很容易求出的，迭加后就得到对复杂 1 2 硕士学位论文 k k a 波段低损耗微带一波导转换设计 波形的总响应。这种把复杂的事物分解成各个简单的问题来逐个加以解决的办法，在 解决耦合微带线问题时，也是行之有效的。这就是目前广泛应用的所谓“奇偶模参量 法 。 耦合微带线包括相互耦合的两根微带线，共有四个引出口，是一个典型的四口网 络。现在首先要解决的是：当对任意一个口( 例如1 口) 以信号源加以激励时，通过 长度为l 的线间耦合，如何求得主线和辅线( 即不接信号源的线) 的各个引出口的响 应? 此时，考虑到耦合线结构的上下对称性，如果在l 、4 两口输入一对相互对称的 信号，例如两个相同的电压u ；或者是一对相互反对称的信号，例如两个幅度相等、 相位相反的电压u + 与u 。，则由于耦合线上电磁场分布的对称性，对偶模来说，二根 线的电场是偶对称分布的；对于奇模，则是奇对称分布的。总而言之，从电磁场的图 形来说，是完全相同的，这就使上下两部分可在中心线上对称分开，只须研究一半即 可。于是四口网络的问题就可作为二口网络来研究，比较简单地就能得到结果。把上 述两种激励情况分别称为偶对称激励和奇对称激励，或称奇偶模激励。当然，奇偶模 激励只是一种特殊情况。在一般情况下往往并不是奇偶模激励。但是在1 、4 口上， 任意一对输入电压u l ，u 4 ，总可以分解成一对奇偶模分量，因而使u i 等于两分量之 和，u 4 等于两分量之差。所以u + 表示等幅等相的偶对称激励电压( 偶模分量) ，u 表示等幅反相激励的电压分量( 奇模分量) ，则： f u 。：u + + u 一 【u = u + - u u + ：螋 ，2 ， ( 2 1 4 1 ) u 一：生垫 、 2 式( 2 。1 4 1 ) 说明了任意一对输入电压u l 和u 4 ，总可分解成一对u + 和u 。分量。 tti t 在特殊情况下，当u 4 = 0 ，相应于只在l1 ：3 上拉信号源激励时，则u + = 睾，u 一= 睾 2z 即其奇偶模分量相等。必须指出：奇偶模激励时，耦合线上的参量及其参量是不相同 的。因此，在分解成奇偶模分量以后，必须用奇偶模各自的参量进行电路分析，最后 再把结果叠加而得到耦合的解。同时指出：并非只对耦合微带线才采取奇偶模的分析 方法对所有具有对称结构的四口网络，以及部分三口网络( 例如以后要提到的三线功 率分配器) ，都可应用此方法，而使分析过程大简化【2 j 。 2 2 矩形波导基础 规则波导是指沿其轴线方向，横截面的形状、尺寸，以及填充介质的分布状态和 电参数均不变化的无限长的直波导。矩形波导是横截面为矩形的空心金属管。在这种 单导体的空心波导中不可能存在有t e m 波，只能存在t e 波或者t m 伯，属于色散 导波系统。 2 微波传输线皋本理论 硕i ：学位论文 2 2 1 波导引论 同轴线和微带线中传播的注模是t e m 波。其横向电场的建立是由于内外导体之 间存在电位差，即内外导体表面有反号电荷的堆积。横向磁场的存在是由于内导体中 流过传导电流，横向电、磁场的存在和内导体紧密相关1 6 1 。 波导中没有内导体，它只是一根空管。如果波导中传播电磁波的磁场只有横向 分量而无纵向分量，则根据安培定律，沿磁力线作闭合线积分，有： 嘎讲= 上等d s + ， ( 2 2 1 1 ) 因为没有内导体，所以i = 0 ，所以一定有和横截面方向垂直的交变电场即纵向 电场e x 。由于e 。对金属壁来说是切向电场，而根据边界条件金属壁处的e 。= 0 ，所以 e x 在横截面内必定有某种分布规律已满足这一边界条件。这是一种可能在波导中存在 的模式。因为磁场只能在横截面内，所以称为t m 波；或者，因为纵向只有电场，所 以也称e 波。 同样，如果电场只有横向分量，则可沿电力线及金属壁作闭合积分，根据法拉 第电磁感应定律， 4h d l ：f 竽d s ( 2 2 1 2 ) 。lo so t 可见，必定有纵向磁场h ：穿过闭合积分回路，此纵向磁场也必定沿横截面有某 种分布规律。 所以，在金属波导中不能存在t e m 波；如果电场只有横向分量，则磁场除横向 分量外还有纵向分量，这就是h 波或者t e 波；如果磁场只有横向分量，则电场除横 向分量外还有纵向分量，这就是e 波或者t m 波。不论t e 波或者t m 波都能满足金 属边界条件，因而都能独立存在。既有凡e 。又有h 。的电磁波可看成是t m 波和t e 波的线性叠加。由于波导是由单根金属管构成的，它不像t e m 波传输线那样可以严 格的定义电压和电流，因此无法用电路的方法进行分析，而只能用电磁场的方法求解。 波导中的电磁场的纵向传播特性和横向分布规律可以由两个或两个以上简单的 均匀平面波按一定的方式叠加而成。部分波叠加形成合成波。只要合成波的电磁场满 足波导的边界条件，它就是一种可以在波导中传播的电磁波，即对应一种可能的传输 模式或波型。 2 2 2 。矩形波导中电磁波的传输特性 矩形波导的横截面如图2 2 1 所示： 1 4 硕士学位论文 k k a 波段低损耗微带波导转换设计 y 轴 x 轴 图2 2 1 矩形波导横截面 矩形波导在y 方向的尺寸b 有一定的随意性，而x 方向的尺寸a 则必须满足铲 ( k s i n0 ) 或入= a s i n0 。其中，0 为入射波与传播方向z 之间的夹角。对于一定波长 的电磁波，a 的尺寸和0 有关，因为s i n0 1 ，所以a 的最小尺寸不能小于入2 对于 宽度a 已确定的波导，不同波长的波必须以不同的入射角0 入射，才能满足两金属板 处电场为零的边界条件。例如，当波长由较小值逐渐增大时，波矢量与z 轴之间的夹 角0 也逐渐增大；当入= 2 a 时，s i n0 = 1 ，o 角增大到兀2 ，这时波向侧面金属板垂直 投射，经全反射后向另一侧金属板垂直投射，又被全反射，这样来回反射，在x 方向 形成纯驻波，而在z 方向上相移常数1 3 = k c o s0 - - 0 ，所以波沿z 轴的传播过程停止， 沿z 轴形成了均匀交变场。这种状态称为临界状态，有时也叫横向谐振状态。波长再 增大，电磁波就不能在此波导中传播，电磁场沿z 方向按指数规律衰减。 ( 一) 截止波长和截止频率 在矩形波导管伸，t m 枷和t e 呦波型的截止波数k 的表示式是相同的，即 疋= 由此式得出相应的截止波长入。为 允= 罢= 2 ( 2 2 2 1 ) ( 2 2 2 2 ) 一般的讲，不同的波型，其截止波长是不相同的其中最低次的波型称为主波型 ( 主模) ，而其他的波型则称为高次型( 高次模) 。在矩形波导中最低次的t e 波型是 t e l o ，最低次的t m 波型是t m l l 。可见， 为传输系统的时候，通常采用主模t e i o ， 样就能较好的保持传输信号的质量。 矩形波导的主模是t e l o 。当把矩形波导作 并抑制高次模传输，即所谓单模传输，这 当矩形波导的尺寸满足a b 时，t e l o 是主模，它的截止波长为2 a ，且与b 无关， 而且在给定的频率范围内，可是波导尺寸为最小，即满足关系式 a r ( 2 2 2 1 1 ) 0 ( 3 2 2 8 ) 在z = o 处警眵= o 即 础= 础( 3 229 ) 在z = z 处，将( 3 2 2 6 ) 式两端在含有z 的很小间隔内对z 积分次可得： 一兰愀幽咚蠼幽础办e x p ( 掣z b 型c o s 掣 ( 3 - 2 2 1 0 ) z e 0 m a d = 等 耻黑7 2 碳= 孚 v “叫 = 筻臻逊 p o = s 螂三日= s 疗- - - - 删0 ) 三q = 砌础z k = e x p ( - r 竺) z 硕士学位论文列k a 波段低损耗微带波导转换设计 s = 一血s i n 型c o s 孚 ( 3 2 2 2 1 2 ) = 碟蜡q + ) 2 p o p , - i - 、册( o ) ) 2 互+ 础哪r q 从而得到并矢格林函数的确定解。 3 2 3 输入阻抗的求解 假设宽度为w 0 的探针上的电流为 儿夕嬲犯) 岫锄，玉2 “一21 ) 式中d 为探针的长度，w o 为探针宽度。k c 为传播常数。 屯= e o e , 比o ( 0 2 。 ( 3 2 3 2 ) 其中8 ，为探针有效介电常数，其近似值为 巳= 篇( 1 + 南 ( 3 2 舶) j ， 在式( 3 2 3 2 ) 中，探针的电流横向分布沿用了谱域分析微带时所采用的基函数，于 是 输入波导的复数功率为 式中 兄= 一寺肛砒 。 4 l - ，l 二等 础= 节s i - , ( o ) 础孚 = 筻礤迪 吾：- j 彩一a + 翌丝 j 缈, u 0 6 0 j = 毗厉乩) 出 岛 ( 3 2 3 4 ) ( 3 ：2 3 5 ) 3 微带波导过渡结构方案的选择和理论分析硕士学位论文 所以 兄= 击! 圹p 等中蜊圳 利用数值方法进行处理，得到复数功率 兄= 最+ 用 由式( 3 2 3 1 ) 可以求出探针底部的电流为 扣2 删i 。s i n 剀 一a 一) r d x 因此可以得到微带探针的输入阻抗和输入电抗分别为 r = 2 只口( 3 2 3 9 ) x = 2 b l ： 通过前面对微带探针到矩形波导过渡的理论分析结果，探针的输入阻抗为探针长度 d ，宽度为w o ，短路活塞距探针距离l 以及频率f 的函数。为了保证探针过渡在所需 带宽范围内较小的插损与反射损耗，需要在所需频段内，对这三个参数进行优化设计。 3 2 4 矩形波导微带过渡等效模型 对波导一微带探针过渡结构，文献报道的分析方法有采用谱域技术和谱域线分法 等。针对常用的频段，文献给出了一些设计数据。但对于实际应用中，经常需要针对 特殊应用频段、安装结构、和介质基片来设计波导一微带探针过渡电路。对微波电路 工程师而言，在无法引用文献报道的设计数据时，无论是采用上述分析方法还是借助 于电磁场数值仿真工具，通过试探或无约束优化法设计波导微带探针过渡电路都是非 常繁琐和费时的。下面介绍一种微带探针一波导过渡的等效模型。 文献【3 6 】给出了矩形波导一同轴交叉祸合接头的等效电路。根据这一模型，可以 得到矩形波导一微带探针祸合结构等效电路如图3 2 3 所示：该等效电路对从波导宽边 插人的横截面或e 面探针，和探针连接的传输线为微带、同轴、带状线和悬置带状线、 共面波导等类型都是适用的，从而本文介绍的基于等效电路的c a d 方法具有广泛适应 性。图3 2 3 中，端口l ，2 是波导端口，端i z l 3 是微带端口。波导端口参考面为通过探 针中心线的波导横截面，微带端口参考面为探针插人的波导侧壁所在平面。j x s 是探 针插人波导对波导传输引人的不连续性电抗，j ) ( p 是探针本身的电感感抗，j b a ，j b b 和 j b 。是探针a 合区不连续性电纳。理想变压器变比n l 、n 2 表示探针末端电压与波导主模 电压以及微带端n t e m 模电压与波导主模电压之比值。考虑到图3 2 3 中，j b 。数值远 小于j b 。和j b b ，略去该元件并不