悬置微带线的过渡设计

文章编号:1001-893X (2008) 02-0097-04

悬置微带线的过渡设计

骆明君, 白 锐

1

2

*

(1. 海军驻航天七院军事代表工作组, 成都610100; 2. 电子科技大学, 成都610054)

摘 要:设计了一种新型微带-悬置微带线和波导-悬置微带线的过渡结构。此过渡模型工艺简单、尺寸紧凑、加工精度不高, 在较宽的频带范围内实现了较好的过渡特性。这种过渡设计可以改善悬置微带电路的应用范围, 同其它电路或系统可以更好地综合应用。通过仿真设计和样品测试, 在整个Ka 频段, 波导-悬置微带线过渡结构插入损耗小于0. 75dB 。关键词:集成电路; 悬置微带线; 微带-悬置微带线过渡; 波导-悬置微带线过渡; 插入损耗中图分类号:TN703; TN817 文献标识码:A

Transition Design of Sus pende d M icrostri p Li ne

LUO M ing -jun , BA I Rui

1

2

(1. Navy M ilitary Delegati o n O ffice for the Seventh A cade m y of Ch i n a A erospace ,

Chengdu 610100, Ch i n a , 2. University o f E lectron ic Sc ience and T echnology

of Ch i n a , Chengdu 610054, Ch i n a)

Abstract :Tw o ne w designs of m icrostrip to suspended m icrostrip li n e transition and w aveguide to suspen -ded m icrostr i p li n e transition are presented in th is paper . These design m ode ls have a better transition per -f o r m ance i n w i d e band , w ith si m ple pr ocessi n g , co m pact size and lo w m achining accuracy . Th is transition

desi g n can i m pr ove the applicati o n ranges of suspended m icrostri p li n e . circui, t and m ake it app l y w ith other circu its or syste m toget h er . A fter si m ulation and sa m ple m easure m en, t the inserti o n loss ofw aveguide to suspended m icr ostrip li n e transiti o n is less than 0. 75dB in K a band . Key w ords :i n tegrated circu i; t suspended m icrostr i p li n e ; m icrostr i p to suspended m icr ostrip li n e trans-i ti o n ; w avegu i d e to suspended m icrostri p line transiti o n ; i n serti o n l o ss

选择。在微波和毫米波频段, 悬置微带线常被用

1 引 言

在微波和毫米波系统中, 标准微带线是平面集成电路中常用的传输线形式。然而, 随着毫米波频率的提高, 微带线除了损耗显著增加外, 强烈的色散效应和小尺寸带来的加工制作困难也将变得非常突出, 使其应用范围受到了限制。因而, 提出了一种根据微带线改进的形式) ) ) 悬置微带线。同微带线比较, 它具有较小的传输损耗、较弱的色散特性和较宽的频带范围, 而且制作公差要求不严, 是混合和单片集成电路的较好

*

来研制滤波器、定向耦合器、混频器、倍频器等无源和有源电路

[1, 3]

。在各种电路和系统设计中,

已经是一种被广泛采用的传输线结构, 悬置微带线结构如图1所示。

但是当使用频率进入毫米波频段后, 低相噪信号源的研制还比较困难, 从降低成本的角度出发, 使用低成本、高可靠性的毫米波单片集成电路将会降低对信号源的要求。而对于单片集成电路或有源电路的应用, 常使用微带线作为其传输结构。所以设

收稿日期:2007-08-23; 修回日期:2007-10-10

#

计微带-悬置微带线的过渡结构, 可以使悬置微带电路和MM I C 或有源电路集成应用。利用有源电路, 放置在悬置微带电路的前端或后端, 通过过渡转换, 对悬置微带电路的输入或输出信号实现倍频、放大等作用。这对于提高电路或系统的集成密度, 降低信号源成本, 都有很好的改善作用。同时, 设计波导-悬置微带线的过渡, 可以适应不同传输系统间

的转换要求。

模式相同,

所以不需考虑传播模式的过渡转换。

图2 微带-悬置微带线过渡

结构

图1 悬置微带线结构

本文设计的微带-悬置微带线、波导-悬置微带线的过渡结构, 工艺简单、尺寸紧凑、加工精度低, 在较宽的频带范围内可以实现较好的过渡性能, 满足了对电路与系统的集成化、小型化、低功率、多功能的设计要求和应用需要。

2 微带-悬置微带线过渡设计

在设计微带-悬置微带线过渡结构中, 主要应实现两方面的过渡转换:

(1) 电场方向的过渡转换。原来微带线电路垂直向下的电场, 应变换为悬置微带线的向四周略有发散的电场分布形式;

(2) 不同传输线间阻抗的转换。同频率下, 在正面金属条带宽度相同时, 悬置微带线的特性阻抗大于微带线的特性阻抗。所以必须通过一定变换, 使其特性阻抗逐渐变高到悬置微带的特性阻抗。

为了实现这两方面的转换, 本文设计的过渡结构如图2所示, 电场分布如图3所示。当屏蔽外壳从微带腔体变化到悬置微带线腔体后, 微带线正面金属导带的宽度, 逐渐变化到悬置微带线的宽度; 背面金属则继续延伸进悬置微带腔体内, 形成双面微带线结构, 然后背面金属从中间向两端分开并向两侧延伸, 在背面形成单侧耦合悬置微带线结构

[4, 5]

图3 电场分布图

双面微带线结构与背面耦合悬置带线的共同作用, 可以较好地实现阻抗的过渡转换过程。因为经过分析与计算可知, 在同一频率下, 各结构的特性阻抗关系为:微带线

在设计过程中, 悬置微带线的宽度和屏蔽外壳的尺寸是两个关键的参量。由于微带线、过渡段、悬置微带线的带线宽度不一定相同, 可以根据实际要求, 带线宽度进行优化选择, 以便实现阻抗的逐渐变化。而屏蔽外壳尺寸的选取对过渡性能影响较大, 因为尺寸的选择不仅决定了悬置微带的频率特性,

,

两带线的宽度逐渐向两侧变窄至零, 最后过渡为悬置微带线结构。因为合理选择材料及尺寸, 可以保证悬置微带线传播模式为准TE M 模, 与微带线传播

同时也对过渡的插入损耗、回波损耗、频带范围产生一定的影响。本文根据图2结构设计了一个Ka 频段的微带-悬置微带线过渡结构, 过渡长度为3. 9mm , 悬置微带线的屏蔽腔体尺寸为a =6. 6mm , b =3. 3mm , 仿真结果如图4

所示。

用的悬置微带屏蔽外壳设计中, 一般选取a =2b , 如图1所示, 悬置微带线的截止频率如式(1) 所

[6, 7]示。同时要根据实际波导尺寸或微带线电路屏蔽外壳尺寸, 适当调节悬置微带的屏蔽外壳尺寸与之配合, 才可以实现较好的宽频带过渡特性。

f c =

2a

-h (E r -1)

b E r

(1)

(2) 过渡段的设计。过渡段结构主要包括双面微带线和背面单侧耦合悬置微带线, 如图6。这两个过渡结构对电场方向和阻抗的转换都起到重要作

用。双面微带线的过渡长度、背面耦合悬置微带的长度和到两侧屏蔽的距离, 是影响过渡插入损耗和回波损耗的主要参数, 在要求尺寸范围内, 优化这几个变量, 可以实现较低的插入损耗和回波损耗。

图4 K a 频段微带-悬置微带线过渡仿真结果

3 波导-悬置微带线过渡设计

波导-悬置微带线的过渡结构设计如图5所示, 其过渡原理与微带-悬置微带线的过渡基本类似。先利用对脊鳍线过渡, 实现波导到微带的过渡, 再利用微带-悬置微带的过渡, 实现整体过渡转换。在此过渡设计中, 与微带-悬置微带线的过渡略有不同, 因为利用对脊鳍线过渡和波导屏蔽外壳, 可直接过渡到双面微带线结构, 减少了过渡环节, 降低了插入损耗和回波损耗。利用波导-悬置微带线过渡, 不仅可以实现传输线的过渡转换, 同时可以实现悬置微带线到波导的过渡转换, 且电路方向与信号输出方向一致, 便于电路

的集成设计。

图6 过渡段结构

5 实验测试结果

利用图5中波导-悬置微带线结构, 设计一个Ka 频段的背靠背对称波导-悬置微带过渡结构, 其试验样品如图7所示。所用介质基片为RT /Duroi d 5880, 介电常数=2. 22, 基片厚度=0. 254mm

, 过渡总长度为16mm, 其中微带-悬置微带过渡长度为3. 3mm 。

图5 波导-悬置微带线过渡结构

4 悬置微带线过渡的优化

对于悬置微带线过渡的性能, 可以从以下两方面进行优化提高:

(1) 悬置微带线的屏蔽外壳的尺寸。在通常使

图7 测试样品实物图

#

仿真与测试结果如图8所示, 由测试结果可知, 在整个K a 频段, 对称结构的波导-悬置微带过渡插入损耗整体小于1. 5dB , 排除加工与测试误差, 其结果与仿真结果基本一致。由此可得, 过渡结构的插入损耗应在0. 75dB 以内, 实现了较好的宽带过渡性能。由以前设计经验可以推知, 对脊鳍线的过渡插入损耗在0. 4~0. 5dB 内, 所以微带-悬置微带线的过渡插入损耗应小于0. 3dB , 验证了微带-

悬置微带线过渡的可行性和可靠性。

6 结束语

本文设计的微带-悬置微带和波导-悬置微带过渡模型, 工艺简单, 尺寸紧凑, 在较宽的频带范围内可以实现较好的过渡性能。通过本过渡结构的设

计, 不仅可以解决悬置微带线与其它传输线之间的过渡问题, 同时也可使悬置微带电路与MM I C 或有源电路综合应用, 扩展了电路的应用范围, 对提高电路集成设计、改善系统性能和应用条件, 无疑会有一定的应用价值。参考文献:

[1] 戎敖生. 毫米波悬置微带线带通滤波器的精确设计

[J].固体电子学研究与进展, 1989, 9(1) :32-42. [2] 谢晋雄, 徐蓓蓓, 鹿文军. 悬置带线特性的研究[J].检

验检疫科学, 2001, 11(1):38-39.

[3] 周文表. 悬置微带线的频率特性[J].电子科学学刊,

1985, 7(2):152-157.

[4] 苗敬峰, 贾伟雷. 屏蔽耦合悬置微带线特性的研究

[J].通信学报, 1990, 11(4):56-61.

[5] 符果行, 余蓉. 类微带传输线的准静特性分析[J].成

都电讯工程学院学报, 1988, 17(2):124-129. [6] 苗敬峰, 贾伟雷. 屏蔽悬置微带线特性的研究[J].南

京工学院学报, 1987, 17(5):131-133.

[7] 冯军, 甘体国. 一种悬置微带毫米波倍频器[J].电讯

技术, 1990, 30(1):1-5.

作者简介:

骆明君(1981-), 男, 四川成都人, 助理工程师, 研究方向为微波器件及控制系统, (电话) 028-84809490;

白 锐(1980-) , 男, 黑龙江齐齐哈尔人, 硕士, 研究方向为微波毫米波元器件和电路及系统的研究, (电子信

图8 仿真与测试结果

箱) ba i rui 163@163. com 。

文章编号:1001-893X (2008) 02-0097-04

悬置微带线的过渡设计

骆明君, 白 锐

1

2

*

(1. 海军驻航天七院军事代表工作组, 成都610100; 2. 电子科技大学, 成都610054)

摘 要:设计了一种新型微带-悬置微带线和波导-悬置微带线的过渡结构。此过渡模型工艺简单、尺寸紧凑、加工精度不高, 在较宽的频带范围内实现了较好的过渡特性。这种过渡设计可以改善悬置微带电路的应用范围, 同其它电路或系统可以更好地综合应用。通过仿真设计和样品测试, 在整个Ka 频段, 波导-悬置微带线过渡结构插入损耗小于0. 75dB 。关键词:集成电路; 悬置微带线; 微带-悬置微带线过渡; 波导-悬置微带线过渡; 插入损耗中图分类号:TN703; TN817 文献标识码:A

Transition Design of Sus pende d M icrostri p Li ne

LUO M ing -jun , BA I Rui

1

2

(1. Navy M ilitary Delegati o n O ffice for the Seventh A cade m y of Ch i n a A erospace ,

Chengdu 610100, Ch i n a , 2. University o f E lectron ic Sc ience and T echnology

of Ch i n a , Chengdu 610054, Ch i n a)

Abstract :Tw o ne w designs of m icrostrip to suspended m icrostrip li n e transition and w aveguide to suspen -ded m icrostr i p li n e transition are presented in th is paper . These design m ode ls have a better transition per -f o r m ance i n w i d e band , w ith si m ple pr ocessi n g , co m pact size and lo w m achining accuracy . Th is transition

desi g n can i m pr ove the applicati o n ranges of suspended m icrostri p li n e . circui, t and m ake it app l y w ith other circu its or syste m toget h er . A fter si m ulation and sa m ple m easure m en, t the inserti o n loss ofw aveguide to suspended m icr ostrip li n e transiti o n is less than 0. 75dB in K a band . Key w ords :i n tegrated circu i; t suspended m icrostr i p li n e ; m icrostr i p to suspended m icr ostrip li n e trans-i ti o n ; w avegu i d e to suspended m icrostri p line transiti o n ; i n serti o n l o ss

选择。在微波和毫米波频段, 悬置微带线常被用

1 引 言

在微波和毫米波系统中, 标准微带线是平面集成电路中常用的传输线形式。然而, 随着毫米波频率的提高, 微带线除了损耗显著增加外, 强烈的色散效应和小尺寸带来的加工制作困难也将变得非常突出, 使其应用范围受到了限制。因而, 提出了一种根据微带线改进的形式) ) ) 悬置微带线。同微带线比较, 它具有较小的传输损耗、较弱的色散特性和较宽的频带范围, 而且制作公差要求不严, 是混合和单片集成电路的较好

*

来研制滤波器、定向耦合器、混频器、倍频器等无源和有源电路

[1, 3]

。在各种电路和系统设计中,

已经是一种被广泛采用的传输线结构, 悬置微带线结构如图1所示。

但是当使用频率进入毫米波频段后, 低相噪信号源的研制还比较困难, 从降低成本的角度出发, 使用低成本、高可靠性的毫米波单片集成电路将会降低对信号源的要求。而对于单片集成电路或有源电路的应用, 常使用微带线作为其传输结构。所以设

收稿日期:2007-08-23; 修回日期:2007-10-10

#

计微带-悬置微带线的过渡结构, 可以使悬置微带电路和MM I C 或有源电路集成应用。利用有源电路, 放置在悬置微带电路的前端或后端, 通过过渡转换, 对悬置微带电路的输入或输出信号实现倍频、放大等作用。这对于提高电路或系统的集成密度, 降低信号源成本, 都有很好的改善作用。同时, 设计波导-悬置微带线的过渡, 可以适应不同传输系统间

的转换要求。

模式相同,

所以不需考虑传播模式的过渡转换。

图2 微带-悬置微带线过渡

结构

图1 悬置微带线结构

本文设计的微带-悬置微带线、波导-悬置微带线的过渡结构, 工艺简单、尺寸紧凑、加工精度低, 在较宽的频带范围内可以实现较好的过渡性能, 满足了对电路与系统的集成化、小型化、低功率、多功能的设计要求和应用需要。

2 微带-悬置微带线过渡设计

在设计微带-悬置微带线过渡结构中, 主要应实现两方面的过渡转换:

(1) 电场方向的过渡转换。原来微带线电路垂直向下的电场, 应变换为悬置微带线的向四周略有发散的电场分布形式;

(2) 不同传输线间阻抗的转换。同频率下, 在正面金属条带宽度相同时, 悬置微带线的特性阻抗大于微带线的特性阻抗。所以必须通过一定变换, 使其特性阻抗逐渐变高到悬置微带的特性阻抗。

为了实现这两方面的转换, 本文设计的过渡结构如图2所示, 电场分布如图3所示。当屏蔽外壳从微带腔体变化到悬置微带线腔体后, 微带线正面金属导带的宽度, 逐渐变化到悬置微带线的宽度; 背面金属则继续延伸进悬置微带腔体内, 形成双面微带线结构, 然后背面金属从中间向两端分开并向两侧延伸, 在背面形成单侧耦合悬置微带线结构

[4, 5]

图3 电场分布图

双面微带线结构与背面耦合悬置带线的共同作用, 可以较好地实现阻抗的过渡转换过程。因为经过分析与计算可知, 在同一频率下, 各结构的特性阻抗关系为:微带线

在设计过程中, 悬置微带线的宽度和屏蔽外壳的尺寸是两个关键的参量。由于微带线、过渡段、悬置微带线的带线宽度不一定相同, 可以根据实际要求, 带线宽度进行优化选择, 以便实现阻抗的逐渐变化。而屏蔽外壳尺寸的选取对过渡性能影响较大, 因为尺寸的选择不仅决定了悬置微带的频率特性,

,

两带线的宽度逐渐向两侧变窄至零, 最后过渡为悬置微带线结构。因为合理选择材料及尺寸, 可以保证悬置微带线传播模式为准TE M 模, 与微带线传播

同时也对过渡的插入损耗、回波损耗、频带范围产生一定的影响。本文根据图2结构设计了一个Ka 频段的微带-悬置微带线过渡结构, 过渡长度为3. 9mm , 悬置微带线的屏蔽腔体尺寸为a =6. 6mm , b =3. 3mm , 仿真结果如图4

所示。

用的悬置微带屏蔽外壳设计中, 一般选取a =2b , 如图1所示, 悬置微带线的截止频率如式(1) 所

[6, 7]示。同时要根据实际波导尺寸或微带线电路屏蔽外壳尺寸, 适当调节悬置微带的屏蔽外壳尺寸与之配合, 才可以实现较好的宽频带过渡特性。

f c =

2a

-h (E r -1)

b E r

(1)

(2) 过渡段的设计。过渡段结构主要包括双面微带线和背面单侧耦合悬置微带线, 如图6。这两个过渡结构对电场方向和阻抗的转换都起到重要作

用。双面微带线的过渡长度、背面耦合悬置微带的长度和到两侧屏蔽的距离, 是影响过渡插入损耗和回波损耗的主要参数, 在要求尺寸范围内, 优化这几个变量, 可以实现较低的插入损耗和回波损耗。

图4 K a 频段微带-悬置微带线过渡仿真结果

3 波导-悬置微带线过渡设计

波导-悬置微带线的过渡结构设计如图5所示, 其过渡原理与微带-悬置微带线的过渡基本类似。先利用对脊鳍线过渡, 实现波导到微带的过渡, 再利用微带-悬置微带的过渡, 实现整体过渡转换。在此过渡设计中, 与微带-悬置微带线的过渡略有不同, 因为利用对脊鳍线过渡和波导屏蔽外壳, 可直接过渡到双面微带线结构, 减少了过渡环节, 降低了插入损耗和回波损耗。利用波导-悬置微带线过渡, 不仅可以实现传输线的过渡转换, 同时可以实现悬置微带线到波导的过渡转换, 且电路方向与信号输出方向一致, 便于电路

的集成设计。

图6 过渡段结构

5 实验测试结果

利用图5中波导-悬置微带线结构, 设计一个Ka 频段的背靠背对称波导-悬置微带过渡结构, 其试验样品如图7所示。所用介质基片为RT /Duroi d 5880, 介电常数=2. 22, 基片厚度=0. 254mm

, 过渡总长度为16mm, 其中微带-悬置微带过渡长度为3. 3mm 。

图5 波导-悬置微带线过渡结构

4 悬置微带线过渡的优化

对于悬置微带线过渡的性能, 可以从以下两方面进行优化提高:

(1) 悬置微带线的屏蔽外壳的尺寸。在通常使

图7 测试样品实物图

#

仿真与测试结果如图8所示, 由测试结果可知, 在整个K a 频段, 对称结构的波导-悬置微带过渡插入损耗整体小于1. 5dB , 排除加工与测试误差, 其结果与仿真结果基本一致。由此可得, 过渡结构的插入损耗应在0. 75dB 以内, 实现了较好的宽带过渡性能。由以前设计经验可以推知, 对脊鳍线的过渡插入损耗在0. 4~0. 5dB 内, 所以微带-悬置微带线的过渡插入损耗应小于0. 3dB , 验证了微带-

悬置微带线过渡的可行性和可靠性。

6 结束语

本文设计的微带-悬置微带和波导-悬置微带过渡模型, 工艺简单, 尺寸紧凑, 在较宽的频带范围内可以实现较好的过渡性能。通过本过渡结构的设

计, 不仅可以解决悬置微带线与其它传输线之间的过渡问题, 同时也可使悬置微带电路与MM I C 或有源电路综合应用, 扩展了电路的应用范围, 对提高电路集成设计、改善系统性能和应用条件, 无疑会有一定的应用价值。参考文献:

[1] 戎敖生. 毫米波悬置微带线带通滤波器的精确设计

[J].固体电子学研究与进展, 1989, 9(1) :32-42. [2] 谢晋雄, 徐蓓蓓, 鹿文军. 悬置带线特性的研究[J].检

验检疫科学, 2001, 11(1):38-39.

[3] 周文表. 悬置微带线的频率特性[J].电子科学学刊,

1985, 7(2):152-157.

[4] 苗敬峰, 贾伟雷. 屏蔽耦合悬置微带线特性的研究

[J].通信学报, 1990, 11(4):56-61.

[5] 符果行, 余蓉. 类微带传输线的准静特性分析[J].成

都电讯工程学院学报, 1988, 17(2):124-129. [6] 苗敬峰, 贾伟雷. 屏蔽悬置微带线特性的研究[J].南

京工学院学报, 1987, 17(5):131-133.

[7] 冯军, 甘体国. 一种悬置微带毫米波倍频器[J].电讯

技术, 1990, 30(1):1-5.

作者简介:

骆明君(1981-), 男, 四川成都人, 助理工程师, 研究方向为微波器件及控制系统, (电话) 028-84809490;

白 锐(1980-) , 男, 黑龙江齐齐哈尔人, 硕士, 研究方向为微波毫米波元器件和电路及系统的研究, (电子信

图8 仿真与测试结果

箱) ba i rui 163@163. com 。