（电子科学与技术专业论文）毫米波有源集成倍频器研究.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a bs t r a c t t h et e c h n o l o g yo fm o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ( m m i c ) p r o g r e s s e s i n c r e a s i n g l yw i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o w a v ec i r c u i t sa n ds e m i c o n d u c t o rm a t e r i a l b a s e do nas e r i e so fm e r i t so fs m a l ls i z e ，l i g h tq u a l i t y ，h i g hr e l i a b i l i t ya n dg o o d c a p a b i l i t yo fa n t i - j a m m i n g ，m m i ci s u s e di nm i l i t a r ye l e c t r o n i cw a r f a r e ，r a d a r ， b r o a d b a n dc o m m u n i c a t i o na n di n t e l l i g e n tt r a f f i cs y s t e ma n ds oo n t h ea c t i v ei n t e g r a t e d f r e q u e n c y - m u l t i p l i e ri s a l li m p o r t a n t c o m p o n e n ti nm o d e mm i l l i m e t e r - m i c r o w a v e c o m m u n i c a t i o ns y s t e m s a tf i r s t , t h eh i s t o r ya n dc h a r a c t e r i s t i c so fm i l l i m e t e r m i c r o w a v ep r o b e - t y p e i n t e g r a t e dc i r c u i t sa n df r e q u e n c y m u l t i p l i e rp r o c e s s o r sa l ei n s p e c t e d ；t h es t r u c t u r eo ft h e a c t i v ei n t e g r a t e df r e q u e n c y - m u l t i p l i e rp r o c e s s i n gs y s t e mi si n t r o d u c e d s e c o n d l y ，t h e d i f f i c u l t i e sa n ds t e p si nt h ed e s i g na r ep r o m o t e d ；t h em a i np a r to ft h i sa r t i c l ew h i c h c o n s i s t so fw a v e g u i d e - m i c r o s t r i pt r a n s f o r m e ra n dm i l l i m e t e r - m i c r o w a v ew a v e g u i d e f i l t e r si se m p h a s i z e d t h eg e n e r a lc h a r a c t e r i s t i c so ft h em i l l i m e t e r - m i c r o w a v ew a v e g u i d ef i l t e ra r e i n t r o d u c e d ，a n dt h em o m e n t - m a t c h m e t h o di su s e df o ra n a l y z i n gt h ee - p l a n ew a v e g u i d e f i l t e r sw i t ht y p e so fs i n g l ei r i s 、d o u b l ei r i s e sa n dm i x e di r i s e s b yc o m p a r i n $ w i t ht h e s i m u l a t i o nr e s u l t so fc s ta n dh f s ss o r w a r c s ，t h ec o r r e c t n e s so ft h em o m e n t - m a t c h m e t h o di s p r o v e d ；s u c h s t r u c t u r e s p r o m o t e d a b o v ea r es y n t h e s i z e db yt h e n e t - s y n t h e s i z i n gm e t h o df o l l o w i n gt h ed e s i g nr e q u e s t , t h ec o r r e c t n e s so ft h er e s u l t so f m o m e n t - m a t c hm e t h o di sp r o v e db yt h er e s u l t so fc s ts o f t w a r e b yc o m p a r i n gt h e c h a r a c t e r i s t i c so ft h e s ef i l t e r s ，t h ee - p l a n em i x e d - i r i s - t y p eb a n d p a s sf i l t e r sh a v et h e a d v a n t a g eo fb e t t e rs t o p b a n d - a t t e n u a t i o na n d e a s i e rf a b r i c a t i o n t h ec h a r a c t e r i s t i c sa n d d e s i g n i n g m e t h o do ft h ea c t i v e i n t e g r a t e d f r e q u e n c y - m u l t i p l i e ra r ei n t r o d u c e d , t h ef r e q u e n c y - m u l t i p l i e rc h i p s 孤c h o o s e db yt h e d e s i g n i n gr e q u e s t , t h es t r u c t u r eo fg o l d l i n ec o n n e c t i o nw a n s f o r m e ra r es i m u l a t e d ，t h e d o u b l e - g o l d - l i n ec o n n e c t i o nt r a n s f o r m e rs t r u c t u r ei ss e l e c t e dt oc o n n e c tt h em i c r o s t r i p a n dt h ec h i p s t h el a s tp a r ts u n l st h ep a p e rw o r k , a n db r i n g sf o r w a r df o rt h el a t t e rt a s k k e yw o r d s ：m i l l i m e t e r - w a v e ，m m i c ，w a v e g u i d e - m i c r o s t r i p t r a n s i t i o n ； f r e q u e n c ym u l t i p l i e r s ，w a v e g u i d ef i l t e r 第1 l 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表2 1 波导微带转换结构参数2 0 表3 1 单个金属膜片不连续性计算仿真结构参数。3 3 表3 2 验证单金属膜片波导滤波器分析的仿真结构参数3 7 表3 3 采用单金属膜片设计的波导滤波器结构参数4 5 表3 4 验证双金属膜片波导滤波器分析的仿真结构参数5 2 表3 5 采用双金属膜片综合的波导滤波器参数。5 4 表3 6 采用混合膜片结构综合的波导滤波器结构参数5 5 第i v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图1 1 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 l 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图2 1 7 图2 1 8 图2 1 9 图2 2 0 图2 2 l 图2 2 2 图2 2 3 图2 2 4 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图目录 有源集成倍频器系统结构3 波导同轴微带转换结构6 脊波导微带转换结构图6 波导微带平行转换结构7 波导微带垂直转换结构7 矩形波导横截面电场分布8 微带结构示意图9 探针面与波导面的二端口网络分析1 1 波导微带平行转换结构1 3 腔体激励模型1 3 微带探针表面的中心电流元与多电流元近似：。1 3 微带表面电场简化示意图1 4 波导微带平行转换结构。1 6 等宽微带线直接插入波导结构图1 6 输入阻抗随着微带探针长度d 的变化1 7 输入阻抗随着波导终端短路面距离l 的变化。1 8 输入阻抗随着微带探针宽度w d 的变化1 8 输入阻抗随着频率变化的s m i t h 圆图1 9 波导微带平行转换结构阻抗匹配段设计图示1 9 波导微带平行转换结构仿真模型2 0 波导。微带平行转换结构s l t 幅度随频率的变化2 0 波导微带平行转换结构$ 2 1 幅度随频率的变化2 l 波导微带平行转换结构的级联仿真模型2 l 级联结构随频率的$ 1 1 幅度变化2 2 级联结构随频率的$ 2 1 幅度变化2 2 e 面金属膜片波导滤波器结构及中间隔片示意图2 3 滤波器设计的一般流程2 5 h 面波导分支示意图2 6 矩阵级联示意图。3 1 单个金属膜片的分析流程示意图3 2 单膜片结构仿真结构示意图3 3 m m m 仿真中选取不同模式数p 计算的s l l 幅度。3 4 第v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 8 图3 9 图3 1 0 图3 11 图3 1 2 图3 1 3 图3 1 4 图3 1 5 图3 1 6 图3 1 7 图3 1 8 图3 1 9 图3 2 0 图3 2 1 图3 2 2 图3 2 3 图3 2 , 4 图3 2 5 图3 2 6 图3 2 7 图3 2 8 图3 2 9 图3 3 0 图3 31 图3 3 2 图3 3 3 图3 3 4 图3 3 5 图3 3 6 图3 3 7 图3 3 8 图3 3 9 图3 4 0 图3 4 1 m m m 仿真中选取不同模式数p 计算的s 11 相位3 4 m m m 仿真中选取不同模式数p 计算的$ 2 1 幅度一3 4 m m m 仿真中选取不同模式数p 计算的$ 2 1 相位。3 5 m m m 法和c s t 、h f s s 软件仿真的s l l 相位对比3 5 m m m 法和c s t 、h f s s 软件仿真的s l1 幅度对比3 5 m m m 法和c s t 、h f s s 仿真的s 2 1 相位对比3 6 m m m 法和c s t 、h f s s 仿真的$ 2 1 幅度对比3 6 e 面金属膜片波导滤波器实物示意图3 7 波导e 面金属膜片滤波器分析示意图3 7 e 面金属膜片波导滤波器计算仿真结构示意图3 7 m m m 仿真中选取不同模式数p 的s 1 l 幅度3 8 m m m 仿真中选取不同模式数p 的$ 2 1 幅度3 8 m m m 法与c s t 软件仿真的s l l 幅度对比。3 8 m m m 计算结果与c s t 仿真的$ 2 1 值对比3 9 切比雪夫低通原型滤波器的衰减特性4 0 双终端低通滤波器原型4 0 只有电感元件的低通原形4 l 低通到带通变换的元件换算4 2 耦合谐振器带通滤波器4 2 波导中金属膜片对应无耗互易网络4 3 等效到阻抗变换器的示意图4 4 e 面金属膜片滤波器结构示意图4 5 滤波器设计的s 1 1 参数m m m 和c s t 验证4 6 滤波器设计的$ 21 参数m m m 和c s t 验证4 6 比值t e 3 0 t e l0 与膜片位置的关系( x 2 = a - x 1 ) 4 7 e 面双金属膜片波导滤波器的典型结构示意图4 8 双金属膜片的波导分支的分析示意图4 8 双金属膜片m m m 分析示意图5 0 波导内双金属膜片仿真结构示意图。5 0 双膜片结构的m m m 法和c s t 仿真的$ 2 1 幅度5 1 双膜片结构的m m m 法和c s t 仿真的s 2 1 相位5l 双金属膜片波导滤波器s 矩阵级联分析示意图5 l 双金属膜片波导滤波器计算仿真示意图一一5 2 双膜片滤波器m m m 法和c s t 仿真的$ 2 1 幅度5 2 笫v i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图3 4 2 图3 4 3 图3 4 4 图3 4 5 图3 4 6 图3 4 7 图3 4 8 图3 4 9 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图4 9 图4 1 0 图4 1 1 图4 1 2 图4 1 3 图4 1 4 图4 1 5 图4 1 6 双膜片滤波器m m m 法和c s t 仿真的s 1 1 幅度。5 3 波导中双膜片结构对应t 型网络等效电路图5 3 e 面双金属膜片滤波器结构示意图5 4 e 面混合金属膜片滤波器结构示意图。5 4 综合得到的混合金属膜片波导滤波器结构5 5 混合膜片滤波器$ 2 1 幅度的m m m 法和c s t 仿真结果5 5 混合膜片滤波器s 1 l 幅度的m m m 法和c s t 仿真结果5 6 混合膜片滤波器与单膜片滤波器特性对比5 6 理想倍频器方框图5 8 有源集成倍频器系统图示。6 0 t g c l 4 3 0 g e p u 芯片外观尺寸6 0 t ( 屺1 4 3 0 ( 3 e p u 芯片转换增益6 l t c , - c 1 4 3 0 g - e p u 芯片输入输出隔离度。6 l t ( 论1 4 3 0 g e p u 芯片二次谐波抑制一6 l t c e l 4 3 0 g e p u 芯片集成焊接示意图6 2 加m c 与微带互连结构示意图6 4 单金丝互连三维仿真模型6 4 金丝高度增加对反射系数s ll 的影响6 5 两块基板之间的距离对反射系数$ 11 的影响6 5 单金丝互连结构的插入损耗6 6 单金丝互连结构的输入输出驻波比。6 6 双金丝互连三维仿真模型。6 6 双金丝互连结构的输入损耗6 7 双金丝互连结构的输入输出驻波比6 7 第v i i 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文题目：童鲞选直翌篡盛焦麴墨珏究 学位论文作者签名盈垃 日期 夕年 帅多日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 年，j 月多日 年，2 月易日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 论文的工作背景 微波集成电路工作在微波波段和毫米波波段，由微波无源元件、有源器件、 传输线和互连线集成在一个基片上且具有某种功能的电路。可分为混合微波集成 电路和单片微波集成电路。混合微波集成电路是采用薄膜或厚膜技术，将无源微 波电路制作在适合传输微波信号的基片上的功能块。电路是根据系统的需要而设 计制造的。常用的混合微波集成电路有微带混频器、微波低噪声放大器、功率放 大器、倍频器、相控阵单元等各种宽带微波电路。单片微波集成电路是采用平面 技术，将元器件、传输线、互连线直接制作在半导体基片上的功能块。砷化镓是 最常用的基片材料。微波集成电路起始于二十世纪五十年代n 1 。微波电路技术由同 轴线、波导元件及其组成的系统转向平面型电路的一个重要原因，是微波固态器 件的发展。六七十年代采用氧化铝基片和厚膜、薄膜工艺瞳1 ；八十年代开始采用单 片集成电路u 1 。 单片微波集成电路( m m i c ，m o n o l i t h i cm i c r o w a v ei n t e g r a t e dc i r c u i t ) 是在半 绝源半导体衬底上用一系列的半导体工艺方法制造出无源和有源元器件，并连接 起来构成应用于微波( 甚至毫米波) 频段的功能电路h 3 。 单片微波集成电路包括多种功能电路，如低噪声放大器( l n a ) 、功率放大器、 混频器、上变频器、检波器、调制器、压控振荡器( v c o ) 、移相器、开关、m m i c 收发前端，甚至整个发射接收( t 瓜) 组件( 收发系统) 。由于m m i c 的衬底材料 ( 如c m a s 、1 1 1 p ) 的电子迁移率较高、禁带宽度宽、工作温度范围大、微波传输性 能好，所以m m i c 具有电路损耗小、噪声低、频带宽、动态范围大、功率大、附 加效率高、抗电磁辐射能力强等特点。 随着毫米波无线通信系统的发展，对毫米波信号源的需要也越来越迫切，毫 米波源的获取可采用三种方式，第一种是以速调管、返波管、回旋管为代表的真 空电子器件，真空电子器件一般都需要极高的电压、强磁场和特殊电子枪；第二 种是以耿氏管和雪崩管为代表的固体器件。从使用寿命上来说，电真空器件不如 固态器件，但真空电子器件产生的功率高于固体器件；第三种获取毫米波信号的 方式为利用微波源经倍频后获得。毫米波倍频器源由于其输出频率可以在输入频 率的n 次谐波上选取，因而所需的输入信号源可以选择在技术比较成熟的微波频 段制作，从而为保证所需的频率稳定度和相噪特性提供了条件。 作为获得高稳定信号源的种手段，倍频器有其自身的特点与用途嘲： 1 可降低电子设备的主振频率，这点对于工作频率较高而且稳定性要求严格 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 的通信机与高频电子设备极为重要。因为晶体振荡器振荡频率越高，相对频率稳 定度越低。为了解决固态发射机中的高频率稳定度和高的输出频率之间的矛盾， 常在主振级和输出级间采用多次倍频技术。 2 扩展工作频段，以获得宽的工作频段，可用于扩频通信和电子对抗中。 3 对于调相或调频发射机，利用倍频器可以加深调制深度，以获得最大相移 或频移。 4 倍频器易产生激励信号的各次谐波，成为频率合成器中的重要组成部分。 5 利用倍频，可以制成毫米波、亚毫米波固态源，他们在射电天文学、光谱 学、毫米波通信、雷达、军事侦察、监视、制导等方面得到广泛的应用。 6 除此之外，作为固态器件，倍频器工作电压、器件尺寸均远小于真空器件， 使用寿命与可靠性也大大超过后者。 1 2 国内外研究状况 固态倍频源发展十分迅速，从器件看，由早期的非线性电阻二极管发展到变 容管、阶跃管、隧道二极管、雪崩二极管等，由双极三极管发展到利用单栅、双 栅场效应晶体管倍频：从波段看，由短波、超短波到厘米波乃至毫米波、亚毫米 波倍频都取得了惊人的进展；从功率看，采用放大倍频技术，在l 波段，倍频输 出功率可达几十瓦以上目前，通过倍频能产生低至几兆赫以下，高至几千兆赫 直至t h z 频段的信号。3 0 0 g h z 的固态倍频源能输出5 m v 以上的功率，6 0 0 g h z 的固态倍频源已研制成功，其输出功率足以用作超导混频器的本振。 最近1 0 多年来，毫米波、亚毫米波无线通信发展日益广泛。对于高速无线数 据传输，要求低噪声、高频率稳定性的射频本振源。但是这在毫米波频率范围内 很难实现。各国均致力于研究通过倍频器得到高稳定度、低相位噪声的毫米波本 振源，这也是解决毫米波频率高端本振源或信号源的有效途径。因此，毫米波倍 频器发展十分迅速，引起了人们的广泛关注。随着单片微波集成电路( m m i c ) 技术 的日趋完善，使得倍频器的发展又向前迈进了一大步，有源集成倍频器已经成为 无线通信前端电路的研究热点，为毫米波以及工作频段更高的信号源或本振源提 供稳定的工作频率。 目前，国内外对有源集成倍频器的研究主要集中在毫米波高端、亚毫米波， 在理论上和实际应用上都取得了较大的进展。研究的热点在于如何提高工作频率、 提高倍频效率，降低变频损耗，减少功耗，简化电路，减小芯片面积和降低成本。 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 1 3 论文的主要工作及章节安排 论文的研究是基于典型有源集成倍频器的分析和设计口一。该有源集成倍频 器主要指标为： 1 输入信号频率：无= l1 3 - 1 2 g h z ； 2 输入信号功率：已= 0 d b m ； 3 输出信号频率：厶= 3 4 - 3 6 g i - i z ； 4 输出信号功率：_ _ 1 0 d b m ； 5 谐波抑制度：_ _ _ 4 0 d b 。 m m i c 集成电路波导电路m m i c 集成电路 广一一一一一一一l 黼h 一 i 燃h 赫i 一溯睦至 一一一一一一一一； l 一一一一一一一 图1 1 有源集成倍频器系统结构 根据主要指标，设计电路结构如图1 1 所示，其主要包括x 波段放大器、倍 频器、微带波导转换结构、波导滤波器和k a 波段放大器等电路模块。首先，标准 振荡信号源产生频率为1 1 3 1 2 0 g h z 、功率为0 d b m 的x 波段信号，经x 波段放 大器对信号进行放大后通过3 次倍频器将频率转换为3 4 3 6 g h z 的k a 波段信号； 该信号需要经过微带波导转换，并通过波导腔体滤波器滤除倍频过程所产生的高 次谐波；最后通过k a 波段放大器输出频率为3 4 3 6 g h z 、功率为1 0 d b m 的所需信 号。 其中x 波段放大器、倍频器和k a 波段放大器可以用m m i c 集成电路直接实 现，所以该系统的主要设计难点为：波导微带转换结构和波导滤波器的设计。 根据系统设计要求，本文的研究工作主要包括以下四个方面： 1 波导微带转换结构设计 2 毫米波波导滤波器的模式匹配法分析 3 毫米波波导滤波器的综合 4 有源集成倍频器的设计 本文共分为五章： 第一章简要回顾微波集成电路和倍频源的特点和发展历史，介绍了有源集成 倍频源系统的具体组成，并在此基础上提出倍频器系统的设计难点和研究思路， 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 并确定论文的研究重点在于探针型波导微带转换结构和毫米波波导滤波器。 第二章根据有源倍频器系统的设计要求，选择探针型波导微带转换结构作为 m m i c 微带电路与波导滤波器之间的转换装置。论文在分析探针型波导微带耦合 结构的输入阻抗的基础上，设计了转换结构，得到了转换结构的具体尺寸。采用 h f s s 软件进行了电磁仿真，证明了设计方法的正确性。 第三章介绍了毫米波波导滤波器的一般特点，利用模式匹配法依次分析了单 膜片、双膜片和混合膜片型的e 面金属膜片波导带通滤波器，通过与c s t 、h f s s 软件仿真结果相对比，验证了模式匹配法分析的准确性；根据设计指标通过网络 综合的方法设计综合出这几种结构的滤波器结构，通过模式匹配法和c s t 软件仿 真验证了设计方法的准确性。通过这几种结构的滤波器特性对比，e 面混合金属膜 片波导带通滤波器具有阻带抑制高、结构易于实现等优点。 第四章论述了有源集成倍频器特点和实现方法，根据设计指标选取了相应的 倍频器管芯，并对金丝互连结构进行了数值仿真，确定采用双金丝互连结构进行 微带线和芯片互连。 第五章为结束语，对工作进行了总结，并且对后续工作做了展望。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章波导微带转换结构设计 毫米波单片集成电路( m m i c ) 中，各个m m i c 之间的连接采用的是微带线，而 且一般都是在密闭腔体中传输，而现有的毫米波测试系统采用的是矩形波导接口。 因此为了便于测试、天馈以及独立微带电路之间的连接，常常需要将微带电路输 入、输出端口通过转换结构过渡到矩形波导。在需要将信号作一段距离的传输时， 也必须将电路从微带转换至波导，以降低传输损耗。论文中由于需要将m m i c 电 路与波导滤波器互联，因而必须设计相应的波导微带转换结构。 毫米波集成电路中的波导微带转换结构的基本要求是n 钆一舶：( 1 ) 传输损耗低， 反射系数小，要有足够的带宽；( 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，便于加工制作。 2 1 波导微带转换结构简述 在微波导行系统中，不同类型的传输系统互相直接连接时，由于阻抗匹配问 题，将产生很大的反射，为了使矩形波导与微带两种结构之间低损耗传输微波信 号，需要波导微带转换结构来实现阻抗匹配。 目前常用的波导微带转换主要有三种形式n 3 一铂：( 1 ) 波导同轴一微带过渡结构； ( 2 ) 脊波导微带过渡结构；( 3 ) 探针型波导微带转换结构。这些波导转换结构都能 提供宽频带性能( 1 0 2 0 带宽，大于1 5 d b 的回波损耗) ，且一般都有低于0 7 d b 的传输损耗。各种过渡结构都有其各自不同的特点，这里仅作简单介绍。 前两种过渡装置的波导和微带位于同一方向，所占的空间较大，而探针型波 导微带转换结构中波导与微带相互正交，不需要焊接，安装比较方便，所占体积 较小，从而探针型波导微带转换结构成为m m i c 电路设计中常用的一种过渡方式。 2 1 1 波导同轴微带过渡结构 这种过渡结构经常用于卫星通信接收单元前端，其结构如图2 1 所示。波导的 输入口为一个固定连接用的法兰盘，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。 同轴线的内导体延伸适当长度作为天线在宽壁正中插入矩形波导。为使能量 单方向传输，将波导一端短路，适当调节同轴探针长度和短路面与探针中心距离， 使得同轴线特性阻抗等于探针在连接面输入阻抗。在同轴微带转换侧，通常使内 导体直径等于微带线宽，即可实现波导微带转换。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图21 波导一同轴徽带转换结构 这种过渡结构存在的缺点是探针长度与短路面的距离受机械加工影响较大， 加工精度很难保证。在设计时，如果要保证过渡器的带宽足够大，可以在波导内 加调谐螺钉来克服加工误差。 2 12 脊波导撒带过渡结构 采用单脊波导，等效阻抗约为8 0 - 9 0 ，通过一段空气微带过渡，使匹配性能 提高，具体结构如下图所示。 圈2 2 脊波导- 微带转换结构闰 213 探针型波导- 微带转换结构 探针型波导微带转换结构“”1 从同轴探针发展而来，直接利用微带线作为探 针伸入波导，在矩形波导宽壁上开一窄梧为减小其对波导内的场强分布影响 槽缝尺寸应尽可能的小。微带线经该槽缝延伸至波导内，延伸部分为介质及其上 金属导带线，作为探针从波导耦台传输能量：在此探针部分与微带传输线问经常 应用四分之一波长阻抗变换器以实现阻抗匹配。 这种结构有两种构造：一种是波导微带平行转换结构，即微带线平行于波导 传输方向且位于波导的宽边中心如图2 3 所示。这种构造容易与其它e 面结构 结合在一起，构成准平面结构，因此在m m i c 电路设计中得到比较广泛的应用。 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论皇 囤2 3 波导徽带平行转换结构 另一种是渡导- 微带垂直转换结构即微带线垂直于波导传输方向，且位于波 导的宽边中心，如图2 4 所示，这种构造密封性好，而且波导的传输方向与固态电 路所在的平面垂直。 图2 4 渡导磺带垂直转换结构 上面的两种探针型波导一微带转换结构中，微带线插入波导形成电探针，任一 个沿探针方向具有非零电场的拔导模将在微带探针上激励起电流。根据互易原理， 当微带线上准t e m 模向波导入射时产生的探针电流也将激励起同样的波导模。为 与矩形波导中主模嘎。模耦台紧密微带探针应从波导宽边中心插入置于碣。模 电场最大位置处。微带搛针附近被激励起的高次模使转换结构具有电抗性质，波 导短路面正好提供了一个等效电抗用于抵消掇针电抗。 这两种形式的探针型波导一微带过渡结构都具有低损耗、宽频带、结构简单、 体积小等优点得到了较多的研究和应用。 由于本论文涉及的微带电路和波导结构在同个平面上，因此选用波导微带 的平行转换结构，本章后文将对该转换结构进行分析和设计。 第7 页 羽 数 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 2 2 波导和微带传输线分析 为了更好的分析和设计探针型波导微带转换结构，首先对波导和微带传输线 进行分析。 2 2 1 矩形波导导波分析 由导行电磁波理论可知，矩形波导中只能传播t e 波或t m 波，而不能传播 t e m 波。矩形波导中主模r e , 。模电场在波导横截面上分布如图2 5 所示。 ：一一一一，a 七一： 图2 5 矩形波导横截面电场分布 如果用电力线表示e ，的分布，则电力线应在宽边中心分布最密，两边逐渐稀 疏，其密度按正弦变化；由上可知，在宽边中心沿平行于电力线方向插入探针可 最大幅度的馈入、馈出电磁场能量；当电磁波五 五时( 名为电磁波波长，丸为矩 形波导截止波长) ，电磁波在矩形波导内传输，截止波长为： 五= 万2 虿 ( 2 1 ) 其中m 和i 1 分别代表沿x 轴和沿y 轴方向分布的半波数；a ，b 为矩形波导的长、 宽尺寸。码。模的截止波长为五- 2 a ；吗。模的截止波长为以- a ：砜。模的截止 波长为五= 2 b ；r e , 。模单模工作的条件是 j 认从2 口( 2 2 ) i - 2 b 见 论文中毫米波波导选用b j 3 2 0 型矩形波导，其物理尺寸为：n = 7 1 1 2 m m ， b = 3 5 5 6 m m 。由( 2 2 ) 式可得出玛。模的截止波长为龙- - 2 a = 1 4 2 2 4m m ；啦。模的 截止波长为乃- - a = 7 1 1 2i i l l l l ；t e o l 模的截止波长为五= 2 b = 7 1 1 2 m m ；码l 模的 截止波长等于t m ! 。模的截止波长为五= 6 3 6 1 m m 。 该波导工作在勋波段时( 频率f = 2 6 5 - 4 0 g h z ) ，主模珥。模工作波长范围为 a , - - 7 5 m m - 1 1 3 2 m m 。该波导工作在f = - 3 5 g f i z 时，工作波长五= 8 5 7 1 1 1 1 1 1 ，其波导 波长为丸= 1 0 7 4 r a m ，波阻抗为 第8 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 龟= 7 7 2 2 2 微带传输线导波分析 = 丝堕一= 4 7 2 4q ( 2 3 ) 1 8 5 7 1 4 。 微带线的特性受基片材料的影响很大。为了不致使微带线导带过窄带来加工 精度低、损耗大等问题，毫米波集成电路的微带线应选用低介电常数、损耗低的 介质基片。 毫米波集成微带电路的基片材料一般选用石英。石英表面光洁度高，损耗低 ( t g o 1 0 - 1 0 ) ，介电常数低( = 2 7 8 ) 。但石英的机械性能较差，很容易损坏。现在 普遍采用价格低廉加工方便的玻璃纤维加强聚四氟乙烯。这种基片材料的介电常 数= 2 2 2 - 2 3 5 ，损耗角正切t g o 1 2 x 1 0 4 9 x 1 0 4 。 在毫米波的低端，微带线是毫米波平面集成电路广泛使用的结构形式。随着 使用频率的提高，损耗显著增加，激励并产生沿介质基片传输的表面波。微带在 弯曲和不连续处极易产生辐射。微带线的尺寸随频率提高而减小，受加工容许公 差限制，标准微带不适合使用在毫米波高端。 在k a 频段，由于工作频率提高，微带线中除了准t e m 波色散显著之外，还 可能出现波导模和表面波模两类高次模，微带线上多模传输不可避免，为了尽可 能减少能量损耗，选用高频损耗小的介质基片是很重要的。 图2 6 微带结构示意图 微带结构如图2 6 所示，利用准静态方法可以得出微带线特性阻抗z o 和导带 宽度w 以及介质基板厚度h 的关系： z o = 辩掣+ l 时，阱i 而k 2 ( 乏z 丽w z c ) - i = 阱i 谚= 一丢q k 2 ( z 。z 。) 1 时，【0 l = k l l 时，【0 l = ，谚= 一互1 包f = l ，2 ，谚= 一三2 + 詈；= 1 ，2 又因为阻抗变换器( k ) 与归一化耦合系数( m ) 及终端归一化阻抗心的关系为n 羽： = 巨 = 量 ( 2 1 4 ) 其中缈= ( 哆- o 魄) o , o ，为相对带宽n 钔，气和五分别为滤波器中心频率对应的波导 波长与自由空间波长( 从交叉耦合网络的耦合矩阵推导例可知局与1 c 卅只作为 阻抗倒换器，而则与耦合系数有关) a 2 3 3 矩形波导中微带探针激励的矩量法分析 模型所用参数如图2 8 ，忽略了微带探针项面的电流及其对场的影响，用图2 8 表示探针表面的等效线电流，其中圆点表示线电流源，“+ 表示测试点位置，这 些点在探针表面交叉分布，较好的解决了计算场点积分中的奇异性的问题，由电 磁边界条件可知，探针表面的总切向电场e 订为零，而探针表面任一点的电场由探 针表面的y 向电流及同轴端口面的辐射叠加而成，因而图2 9 中用“+ 标注的位置 的电场为零，场方程由( 2 1 5 ) 式给出。 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 短路面 图2 8 波导微带平行转换结构 图2 9 腔体激励模型 o ：s o u r c el i n e s + ：t e s tl i n e s 图2 1 0 微带探针表面的中心电流元与多电流元近似 l e 办+ e 二= o ，i = 1 ，4