范高生 劉維滿 卿安永
摘要:提出了一種Ku波段波導(dǎo)與探針內(nèi)信號傳播方向相互平行的設(shè)計(jì)方法,該方法基于波導(dǎo)-微帶雙探針結(jié)構(gòu),通過波導(dǎo)彎頭將信號改變90°,從而使波導(dǎo)與探針內(nèi)信號的傳播方向相互平行,并利用雙探針結(jié)構(gòu)集成了功率分配的功能。產(chǎn)品測試結(jié)果表明,該過渡結(jié)構(gòu)在14GHz~18GHz內(nèi)插入損耗小于3.1dB,輸入回波損耗大于19dB,性能較好,具有一定的工程應(yīng)用價值。
關(guān)鍵詞:波導(dǎo);微帶;雙探針;過渡結(jié)構(gòu)
中圖分類號:TN603.5 文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:1007-9416(2018)08-0172-03
波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)是各種雷達(dá)、通訊、電子對抗系統(tǒng)中最重要的一種無源器件,也是各系統(tǒng)的重要組成部分,其性能的好壞直接影響系統(tǒng)的整體性能。
目前比較常用的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)有:階梯脊波導(dǎo)過渡、對脊鰭線過渡和耦合探針過渡[1-5]。其中,階梯脊波導(dǎo)過渡的特點(diǎn)是信號在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互平行,但主要缺點(diǎn)是體積較大、加工時工藝要求高、設(shè)計(jì)成本增加;對脊鰭線過渡的的特點(diǎn)也是信號在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互平行,主要缺點(diǎn)是插入損耗較大、體積較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,同樣不利于生產(chǎn)加工;耦合探針過渡的特點(diǎn)是信號在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互正交,優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)體積較小、簡單且安裝方便,在當(dāng)前毫米波波段工程設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價值[6]。
傳統(tǒng)波導(dǎo)-微帶耦合探針過渡模型如圖1所示,技術(shù)原理如下:探針從波導(dǎo)寬邊中心插入,通過耦合作用,將波導(dǎo)中的電場耦合到微帶線。能量在波導(dǎo)-微帶線之間轉(zhuǎn)換時,探針的作用就類似于一個發(fā)射-接收天線。微帶線中的能量發(fā)射至波導(dǎo)中時,探針起著“發(fā)射天線”的作用;反之,當(dāng)波導(dǎo)中的能量轉(zhuǎn)換至微帶線時,探針就起著“接收天線”的作用。
上述模型中,探針應(yīng)置于距波導(dǎo)短路面約1/4λ(λ即波長)的位置。這樣,信號從經(jīng)過探針到被短路面反射、到再次經(jīng)過探針,共1/2λ,這樣就保證了探針處于波導(dǎo)中的電壓最大值(電場最強(qiáng))處,從而實(shí)現(xiàn)最大耦合。
1 波導(dǎo)-微帶雙探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理
對于波導(dǎo)-微帶能量相互正交的場合,上述傳統(tǒng)模型是可以滿足需求的,因?yàn)樾盘栐诓▽?dǎo)-微帶中的傳輸方向是相互垂直的。對于波導(dǎo)-微帶能量相互平行的場合,通常需采用波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)或波導(dǎo)-對脊鰭線-微帶過渡結(jié)構(gòu),但波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶過渡不易實(shí)現(xiàn)脊波導(dǎo)與微帶的有效連接,波導(dǎo)-對脊鰭線-微帶過渡尺寸較大、損耗也偏大,都不太能夠滿足實(shí)際工程中的應(yīng)用需求。
為了解決上述問題,本文對傳統(tǒng)波導(dǎo)-微帶探針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn),提出了一種新型波導(dǎo)-微帶雙探針過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法,如圖2所示。該設(shè)計(jì)采用雙探針對稱放置方式,探針距短路面1/4λ,通過波導(dǎo)90°轉(zhuǎn)角彎頭,使能量在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互平行。該設(shè)計(jì)的另一個優(yōu)勢是集成了功率分配器的功能,使能量均分地耦合到雙探針上。該設(shè)計(jì)在充分實(shí)現(xiàn)上述功能的同時,保持了體積較小的優(yōu)勢。
實(shí)際應(yīng)用中,工程器件的總體高度為18mm,輸入波導(dǎo)口的尺寸固定為。為了提高雙探針間的隔離度,使得更多的能量向雙探針耦合,探針間的距離就需要增大,即需要在波導(dǎo)短路面和90°轉(zhuǎn)角彎頭間提高波導(dǎo)的寬度與高度空間。拓寬后的高度空間,理論上不能超過工件總體高度減去波導(dǎo)自身的厚度。為了降低插入損耗,使信號能夠順利通過90°轉(zhuǎn)角,本文設(shè)計(jì)中采用了波導(dǎo)匹配階梯結(jié)構(gòu)。
圖2設(shè)計(jì)中,表示探針插入深度,表示探針間的距離,和表示探針在波導(dǎo)寬邊開槽的位置,表示波導(dǎo)短路面的圓切角半徑,表示波導(dǎo)90°轉(zhuǎn)角的圓切角半徑,和表示階梯波導(dǎo)的寬度,和表示階梯波導(dǎo)的高度,表示波導(dǎo)短路面窄邊寬度。 r1表示探針的內(nèi)導(dǎo)體柱半徑,其中r1=0.3mm;r2表示探針的外導(dǎo)體柱半徑,其中r2=1.0mm;中間介質(zhì)層為Roger公司的Duriod 5880基片,介電常數(shù)。
2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析
工程應(yīng)用中使用HFSS作為設(shè)計(jì)軟件,以圖2為基礎(chǔ)建立設(shè)計(jì)模型,幾何三視圖如圖3所示。
產(chǎn)品組件的測試結(jié)果見圖4。在14~18GHz頻帶范圍內(nèi)的測試結(jié)果表明,插入損耗的測試值在3.00dB~3.10dB之間,平坦度為0.05dB,說明插入損耗較低,詳見圖4(a);回波損耗的測試值在19 dB~38dB之間,大于19 dB,性能較好,詳見圖4(b)。以上數(shù)據(jù)證明了該產(chǎn)品組件滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。
3 結(jié)語
本文提出了一種新型波導(dǎo)-微帶雙探針設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)使波導(dǎo)-探針內(nèi)信號的傳輸方向相互平行,并利用了雙探針結(jié)構(gòu),集成了功率分配器的功能。該過渡結(jié)構(gòu)在14~18GHz頻帶內(nèi)插入損耗小于3.1dB,輸入回波損耗大于19dB,性能較好,極具工程應(yīng)用價值。本文產(chǎn)品組件設(shè)計(jì)在雷達(dá)、通訊、電子對抗等系統(tǒng)的應(yīng)用中均可發(fā)揮重要作用,目前已成功應(yīng)用于某有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中。
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