摘 要：

針對基于微波多層介質(zhì)板的微帶線到帶狀線過渡問題，提出了一種微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)，通過地層的圓形開孔完成微帶線與帶狀線橢圓形貼片間的電磁耦合與匹配設(shè)計，實現(xiàn)了微波信號在微波多層介質(zhì)板內(nèi)跨層傳輸。將微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)在三維電磁場仿真軟件中進(jìn)行了建模，并對背對背結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真、加工與測試。測試結(jié)果表明，在 ７～１３ＧＨｚ 的頻帶范圍內(nèi)輸入輸出回波損耗小于 －１２ｄＢ ，插入損耗最小為１．４８ｄＢ 。該微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)具備了良好的性能，同時具有電路結(jié)構(gòu)簡單、加工方便等特點(diǎn)，在微波電路設(shè)計方面具有較高的實用價值。

１ 引 言

近年來，隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展進(jìn)步，子陣化、小型化、多功能逐漸成為了雷達(dá)的重點(diǎn)發(fā)展方向。在這些趨勢的引領(lǐng)下，微波多層介質(zhì)板技術(shù)在微波電路設(shè)計領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，大大提高了系統(tǒng)的集成度，實現(xiàn)了微波電路的小型化、高性能和低成本。

微波多層介質(zhì)板的優(yōu)勢在于能夠更加靈活的進(jìn)行電路設(shè)計，可以在其內(nèi)部層中設(shè)計各種無源器件，同時其成本要低于 ＬＴＣＣ基材，微波多層介質(zhì)板技術(shù)提高了微波電路的集成度，實現(xiàn)了微波電路的小型化、低成本。但隨之而來的是微波電路中傳輸線的走線變得更加復(fù)雜，往往需要各種信號在不同層之間進(jìn)行傳輸。當(dāng)微波信號從一種傳輸線形式轉(zhuǎn)換到另一種傳輸線形式或者信號在不同的層之間傳輸?shù)臅r候，都需要性能良好的過渡結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)良好的匹配，否則勢必造成傳輸特性的惡化，除了能引起信號的反射，還能激發(fā)出高階模以及產(chǎn)生輻射問題 ，使得信號傳輸帶來額外的插入損耗，惡化電路性能，嚴(yán)重的甚至?xí)斐?a href="http://www.asorrir.com/tags/放大器/" target="_blank">放大器等有源器件的自激振蕩等。因此研究不同傳輸線之間的過渡結(jié)構(gòu)顯得更加必要。

一般情況下，不同傳輸線之間過渡的實現(xiàn)形式主要有兩種：垂直金屬過孔與電磁耦合，文獻(xiàn)提出了一種采用電磁耦合方式的過渡結(jié)構(gòu)，仿真實現(xiàn)了微帶線到共面波導(dǎo)的過渡。文獻(xiàn)提出了一種基于微波多層印制板的３．８～４．８ＧＨｚ帶通濾波器，其采用垂直金屬過孔實現(xiàn)了微帶 線 到 帶 狀 線 的 過 渡。文 獻(xiàn) 提 出 了 一 種 基 于ＬＴＣＣ基板的微帶到帶狀線的過渡結(jié)構(gòu)，其采用垂直金屬過孔來實現(xiàn)微帶與帶狀線之間的過渡。不過，采用垂直金屬過孔來實現(xiàn)不同層之間、不同傳輸線之間的過渡會存在電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本較高等局限性。

為了設(shè)計一種基于微波多層介質(zhì)板技術(shù)，電路結(jié)構(gòu)簡單、加工方便的微帶線到帶狀線過渡結(jié)構(gòu)。本文采用基于電磁耦合的設(shè)計思路，設(shè)計了一種微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)，在微波多層介質(zhì)板中實現(xiàn)了７～１３ＧＨｚ的頻帶范圍內(nèi)微帶線到帶狀線的垂直耦合過渡，并對微帶線到帶狀線過渡背對背結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真與測試，測試結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)具備了良好的傳輸特性，對提高微波電路設(shè)計靈活性、集成度、小型化具有重要意義。

２ 微帶線 － 帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)的原理與設(shè)計

微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)等效電路原理圖其如圖 １ 所示，其可以視為一個兩個端口開路的四端口耦合器 。

圖１微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)等效電路原理

假定第 ｎ （ ｎ ＝１ ， ２ ， ３ ， ４ ）端口的入射信號與反射信號分別表示為 ａｎ 與 ｂ ｎ ，那么各個端口的反射信號可以表示為：

其中端口３與端口４處于開路狀態(tài)，所以其反射系數(shù)為 １ 。通過在第一、二、三地層上開圓形開孔并調(diào)節(jié)各個尺寸參數(shù)實現(xiàn)端口１與端口２的阻抗匹配，實現(xiàn)微帶線 － 帶狀線的電磁耦合垂直過渡結(jié)構(gòu)。本文設(shè)計的微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)模型圖如圖２所示。

圖 ２ 微帶線 － 帶狀線電磁耦合垂直過渡結(jié)構(gòu)模型

在圖 ２ 中，最上層為微帶線部分，其以下各層依次為：第一地層、第二地層、帶狀線部分、第三地層，其中第一地層為微帶線部分的參考接地層，第二地層與第三地層為帶狀線部分的參考接地層。相鄰層之間的部分為 Ｒｏｇｅｒｓ４３５０介質(zhì)板。其中微帶線部分如圖 ３ 所示，其中 Ｗ ＭＬ 為微帶線的寬度，其阻抗設(shè)置為 ５０Ω ， Ｄ ＭＬＡ１ 為橢圓形貼片的長軸長度， Ｄ ＭＬＢ１ 為橢圓形貼片的短軸長度，圖４中所示為第一地層與第二地層部分示意圖，其中 Ｄ Ｓ１ 為第一地層與第二地層圓形開孔的直徑。帶狀線部分如圖５所示，其中 Ｗ ＳＬ 為帶狀線的寬度，其阻抗設(shè)置為５０Ω ， Ｄ ＳＬＡ１ 為帶狀線部分的橢圓形貼片的長軸長度， Ｄ ＳＬＢ１ 為橢圓形貼片的短軸長度。圖６為第三地層部分示意圖，其中 Ｄ Ｓ２ 為第三地層圓形開孔的直徑。

圖３ 微帶線部分示意圖

圖 ４ 第一地層與第二地層部分示意圖

圖５ 帶狀線部分示意圖

圖 ６ 第三地層部分示意圖

３ 微帶線 － 帶狀線垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)仿真與測試

圖２中，上層的微帶線部分與帶狀線部分通過第一地層與第二地層之間的圓形開孔實現(xiàn)電磁耦合，并通過調(diào)節(jié)第三地層的圓形開孔大小來實現(xiàn)微帶線與帶狀線部分的阻抗匹配。將所述的微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡背對背結(jié)構(gòu)在三維電磁場仿真軟件中進(jìn)行了建模、仿真分析，如圖７ 所示，通過調(diào)節(jié) Ｗ ＭＬ 、 Ｗ ＳＬ 、 Ｄ ＭＬＡ１ 、 Ｄ ＭＬＢ１ 、 Ｄ Ｓ１ 、 Ｄ ＳＬＡ１ 、Ｄ ＳＬＢ１ 與 Ｄ Ｓ２ 參數(shù)來實現(xiàn)輸入輸出端口之間良好的阻抗匹配，仿真結(jié)果顯示各個參數(shù)的值分別設(shè)置為 ０．５７ ｍｍ 、０．５９ｍｍ 、 ２．４ｍｍ 、 ２ｍｍ 、 ５．４ｍｍ 、 １．５ｍｍ 、 １．８７５ｍｍ與５．２ｍｍ 。最后將該微波多層介質(zhì)板進(jìn)行了加工制作，最終的微波多層介質(zhì)板的厚度為１．７ｍｍ 。

圖７ 背對背仿真結(jié)構(gòu)示意圖

所述的微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡背對背結(jié)構(gòu)性能實測結(jié)果如圖 ８ 與圖 ９ 所示，由以上圖中可以看出本文設(shè)計的微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)具備了良好的性能，在７～１３ＧＨｚ的頻帶范圍內(nèi)輸入輸出回波損耗小于－１２ｄＢ ，插入損耗最小為１．４８ｄＢ 。產(chǎn)品的最終實物照片如圖１０所示。

圖 ８ 微帶線 － 帶狀線寬帶垂直耦合過渡背對背結(jié)構(gòu)輸入輸出回波損耗仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比

圖 ９ 微帶線 － 帶狀線寬帶垂直耦合過渡背對背結(jié)構(gòu)插入損耗仿真結(jié)果與測試結(jié)果對比

圖１０ 微帶線 － 帶狀線寬帶垂直耦合過渡背對背結(jié)構(gòu)實物

４ 結(jié) 論

本文基于微波多層介質(zhì)板技術(shù)，設(shè)計了一種微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡結(jié)構(gòu)，并通過地層的圓形開孔來實現(xiàn)微帶線與帶狀線部分良好的阻抗匹配，對微帶線到帶狀線寬帶垂直耦合過渡背對背結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真、加工與測試，測試結(jié)果表明本文設(shè)計的過渡結(jié)構(gòu)在 ７～１３ＧＨｚ 的頻帶范圍具備了良好的傳輸特性，在微波電路設(shè)計方面具有較高的實用價值。（參考文獻(xiàn)略）

審核編輯 ：李倩