一种毫米波频段微带同轴转换结构

0 引言

    在微波电路中，同轴电缆和微带线是微波系统中常见的两种微波传输线，同轴电缆以其频带宽、屏蔽性好、结构简单、可弯曲等特性，常被用作模块或系统之间连接的传输线。在高频段，微带线是混合微波集成电路(Hybrid Microwave Integrated Circuit，HMIC)和单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)使用最多的一种平面传输线，且容易与其他无源微波电路和有源电路器件集成，实现微波部件和系统的集成化^[1-3]，因此在微波系统中不可避免地出现微带同轴转换。

    在低频微波电路中，微带同轴转换一般的连接方式是同轴的内导体直接焊接在微带的金属带线上，外导体和微带线的地安装在一起，这种结构在低频段对转接口的驻波和插入损耗影响都很小。但随着微波技术的发展，整机系统使用的微波信号频率越来越高，这对微波信号在传输过程的损耗和转接口驻波提出了更高的要求，而微带同轴一般互连方式的驻波和插入损耗会随着频率的增加而增大，因此对微带同轴转换在高频段性能研究变得更加重要。本文设计了一种毫米波频段微带同轴转换，通过增加补偿孔的方式提高微带同轴转换的性能。

1 基本概念

1.1 微带线^[1]

    微带线是微波电路中最常用的平面传输线之一，它主要由三部分组成：金属带线、介质板和金属地，结构如图1所示。微带线是一种半开放的平面传输线，其金属带线上面是空气，下面是介质基片，微波信号在微带线上传输时，大部分场集中在介质基片内，上面空气介质中也存在一部分场，微带线电场线和磁场线分布如图2所示。

式中，ε_r是微带介质基片的相对介电常数。

    金属带线厚度t≠0时，金属带线边缘的电容增加，可等效为金属带线厚度为零、宽度为W_e的微带线。等效宽度W_e为：

    

1.2 同轴线

    同轴线是由两根同轴的圆柱导体组成的导波系统，分别称为内导体和外导体，内外导体之间是空气或者相对介电常数为ε_r的介质，同轴线传输TEM模式的场，其横截面的电磁场分布如图3所示。

    (1)同轴线的特性阻抗为：

    

其中，a是内导体的外径，b是外导体的内径，ε_r是内外导体之间填充介质的相对介电常数。

    (2)同轴连接器

    目前市场的同轴连接器种类繁多，一般的SMA同轴连接最高工作频率是27 GHz，满足不了毫米波频段的要求，能够工作到更高频段的同轴连接器有2.92 mm同轴连接器、2.4 mm同轴连接器和1.85 mm同轴连接器等等，每种连接器的安装方式也多种多样，有可拆卸式、穿墙式、直联式、印制板焊接式、端接式等。

2 微带同轴转换补偿孔设计方法

2.1 设计方法

    一般微带同轴转换直接连接的方式如图4所示，同轴连接器内导体直接焊接在微带线上，外导体安装在壳体上，微带同轴这种不同传输线之间的转换很难给出一个精确的计算公式。从电路理论分析，微带同轴转换结构相当于在同轴和微带线之间并联了一个电容C，如图5所示。在低频段时，由于电容很小，产生的电纳很小，可看作开路处理，但随着频率的增加，电容的电纳越来越大，部分传输信号开始被反射，造成转换结构的驻波和插入损耗都明显增大。借鉴同轴传输线的高抗补偿法^[4-8]，在微带同轴转换界面处增加一段补偿孔，补偿孔的示意图如图6所示，补偿孔的主要作用体现在两个方面：(1)减小微带同轴转换结构并联电容的容值；(2)在转换结构中增加一段感性空气介质的同轴线，对并联电容进行调谐，进而对转换结构的驻波和插入损耗进行改善。

2.2 仿真分析

    为了方便仿真和实测对比，本文采用“背靠背”结构进行建模仿真，仿真模型如图7所示。微带线板材是厚度为0.254 mm的Rogers5880。绝缘子的具体尺寸如下：同轴内导体直径D₁=0.3 mm，外导体直径D₂=2.0 mm。微带线焊接在一个密闭的金属槽内，同轴外导体安装在壳体的穿墙孔内，同轴内导体与微带线的金属带线通过焊锡连接，在同轴内导体与微带线之间添加焊锡，用以模拟焊锡量对微带同轴转换的影响。

    经过仿真软件计算，将两种微带同轴转换结构的仿真结果对比如图8所示，增加补偿孔后微带同轴转换的电压驻波比（VSWR）和插入损耗(IL)随着频率的增加都有明显下降，这说明补偿孔结构能够有效改善微带同轴转换在毫米波频段的性能。

    图8中微带同轴转换的补偿孔尺寸不是其最佳的尺寸，经过仿真优化，得到微带同轴转换的最优仿真结果如图9所示。微带同轴转换驻波比在1.2以下，插入损耗在0.2 dB以下。

    按照仿真的转换结构尺寸制作实物，实物的同轴接口采用可拆卸式连接器和绝缘子相结合的方式。为了对比增加补偿孔后实物性能改善效果，同时加工了无补偿孔的微带同轴转换结构，组装后的微带同轴转换如图10所示。

    利用矢量网络分析仪对微带同轴转换进行测量，测试结果以及结果汇总如图11所示。

    由图11的测试数据对比可知，转换结构的VSWR由3降低到1.5以下，插入损耗由4 dB下降到2 dB，因此增加了补偿孔的转换结构可以有效地降低微带同轴转换结构的驻波和插入损耗，改善微带同轴转换结构的平坦度。但转换结构的插入损耗测试结果比仿真结果大，这主要是由于以下几个方面造成的：(1)所用矢量网络分析仪的测试接口是2.4 mm同轴接口，微带同轴转换结构的接口是2.92 mm同轴接口，所以最终测试结果中包含两个2.4～2.92转接头的插入损耗；(2)可拆卸式连接器和绝缘子的连接存在误差，并且引入了两个可拆卸式连接器的插入损耗；(3)毫米频段的组装工艺要求较高，实际组装过程中不可避免地存在组装误差，所以测试结果中插入损耗比仿真结果稍差。

3 结语

    本文设计了一种毫米频段的微带同轴转换结构，与以往的直接连接相比，本文所设计微带同轴转换结构增加一段补偿孔，经过仿真和实物测试的结果对比，可以看出增加补偿孔后的微带同轴转换结构驻波、插入损耗以及平坦度都有明显改善。

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作者信息:

王  健，陈  林，阮晓明，姚武生

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