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1、电子科技大学 硕士学位论文 W波段宽带混频器 姓名：杨艳 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：樊勇 20070601 摘要 本文采用鳍线一共面波导结构，实现了w 波段宽带单平衡混频器的研制工作 理论部分，首先通过分析鳍线近似设计公式得到鳍线波导波长、特性阻抗与鳍线 缝宽的关系表达式；接着对矩形波导到单面对称、单面不对称鳍线过渡进行分析。 共面波导部分，采用共形映射方法求解悬置共面波导( s C P w ) 的特性参量，并采 用集总T 型等效电路分析C P w 阶梯不连续性。鳍线到s c P w 的过渡采用基于模 式匹配的全波分析法分析有限金属层厚度下的过渡特性，得到适用于工程
2、设计的 一些有用结论。 论文整体的仿真设计工作是在C s T 、H F s S 以及A D S 平台下完成的。电路结 构中采用了三种以上的毫米波集成传输线鳍线、共面波导、微带等。混频器 非线性工作的关键部件采用两只G a A s 梁式引线单管。本文首先运用A 鲫e n tA D s 软件建立了射频、本振回路的二极管等效模型，并对其输入输出阻抗进行分析， 进而得到电路匹配设计的初值。接着采用三维场仿真软件C s T 与皿F s s 相结合分 析s 参数及电场分布的方法，分别对三毫米频段单面对称鳍线、单面不对称鳍线， 微带低通滤波器，以及整体模型进行优化设计。 论文最后对研制出的三毫米宽带混频性能
3、进行了测试，本振频率为9 2 5 G H z ， 功率大于1 0 m w ，中频由K 接头输出。对于本振鳍线背面安置混频结构，最终的 测试结果为：射频从7 5 G k 一1 0 3 G H z 的2 7 G H z 带宽范围内，变频损耗小于1 1 5 d B ， 其中最好结果出现在频率低端7 5 G H z ，变频损耗值为7 5 4 d B ，本振到射频隔离度 为2 2 2 d B 。另外一种采用本振鳍线正面安置混频结构，最终的测试结果为：射频 从7 5 G l z 一1 0 4 G 比的2 8 G H z 带宽范围内，变频损耗小于1 2 8 d B ，其中最好结果 出现在8 1 G k ，变
4、频损耗值为8 4 7 d B ，本振射频隔离度2 4 9 d B 。 关键词：W 波段毫米波宽带混频器 A b s t 阳c t B m a d - b a n di n t c g r a t c dc i r c u i tm i 】【盯璐i n g 丘nl 硫o 叩l 柚盯w a v e g I l i d c ( C P w ) 丘印r a t i o n 诵t hl i m cd i 蠡F c 嘲c cw 弱r 船e a r c h c dh e m ht h et l l e o r y 柚a l y s i so f 丘nl i n e ， w c 吣e dc l o s e d
5、 f o r mc x p r c 鹳i o n st 0c v a l u a t et h cn O r ma _ 垃瑟dg u i d cw a V e l e n g t ha n d c h 觚I c t e r i s t i ci m p c d a n c cf o ft h e 岫i l a t c r a l 血l i m 柚di t sV a r i 卸t s n e 矗nl j n ct 砌s i t i 衄 w 鹊t h em o s ti m p o r t 卸tp a r to fm i 】【c rd c s i g I l ，t h et 瑚s i t 王丘D
6、mu n i l a t e 均l 肋石n ct o 咖m s u m t c - c c t a n g I l l 缸w a v c g I l i d eu s i l l gs i n u i d s q u a 玎c dt a p c r n t o 盯w c 埔 d i s c 璐s e dn e x t T h ea n a l y t i c a lc x p r e s s i o n sb 鹬e do nQ I 弱i s t a t i cc 0 耐b m a lm a p p i n g t e c h n i q u w c ”u s e dh e t od c t e
7、 加1 i n et l l cc 丘e 吐v cd i e l 洲cc 0 璐t 锄t粕d c h a m c t e r i s t i ci m p c d 蛆c eo fC P W ：T h es t c pd i s c o n t i 肌“yh 勰a l s ob c 吼柚a l y z e dn c x t u s i l l gh y 晰df i I l i t cc l e m c n tm e t l l o da I l dm O d e l e da saT _ n e 姗m k 璐i s t i l l go ft w Os c r i e s i n d u c t
8、 a l l c c s 柚das h u mc a p a c i t a n c c T h e 仃a n s i t i o no fu n i l a t c r a lf i l lU n et oc o p l 锄盯 w a v e g I l i d e ，f o r m i n ga 嗍u e n c y i n d 印e n d e n t 1 8 0 0 h y 晰d i s 0 ff u n d a m e n t a l i m p o n 柚 i nt h i sc o n s t m c t i o n U s i n gt h e F u l l - w a v
9、e孤a l y s i sb 硒e dt h e m o d e m a t c h i n gt e c h n i q u ew 弱a p p l i e dt oa l l a l y z ct h es c a t t c r i n gc h a r a c t e r i s t i c so ft l l i s i m p o n a n t 仃a n s i t i o n h t h ed c s 细柚ds i m u l a t i o n o f m c I n i x c rc i r c u 溉w cu s c dC S T 、H F S Sa l l d A D
10、S 蜘a 比T h c ”w e r ct h r t r a n s i t i o nl i n 髂i nt h i Sc o n f i g I I m t i O n _ 咱nl i 、S C P W 、 m i c m s 埘pl i l l c w 曲u i nd i o d ec q u i v a l e md 棚1 i to fR F 、L Of i 璐t l yu s i n gA 百l tA D S ho r d e rt om a l i z et h eb m a d b 锄dm i x e ri n3 m mb a n dm o a c c I l r a t e
11、l y 锄de 任e c t i v e l y ， c o s i m u l a t i O no f3 D6 e l ds i m u l a t i o ns o f t w a H F S Sa n dC S Tw 勰u s e d W i t ht h i s m c t h o d ，铷l i t ow a v e g I I i d c 仃a n s “i o ni nR F 雏dL op o n s ，m c r 吣t r i p1 i n el o wp 勰s 矗l t e r ，柚dt h ep c E c 0 咖卸c eo fe n t i r cd r “i t sw
12、 e r c 叩t i m 注e d T h ef i n a lr c s u no b t a i l l e di s a sf b l l o w s ： W h e nL o 矗嗍u 蛐c yi si nt l I e9 2 5 G H z ，L op a w e ri sm 0 聆t h 柚1 0 I I l W ，f o rm ec 勰e o fL Of i n1 i J l eb a c k s i d c ，l e 鹞t h 柚1 1 5 d Bc o r e r s i o nl o 踞f o r2 7 G H zR Fi n s t 柚t a n c o u s ， b
13、卸d w i d t hw 舔a c l l i e v c d 髂t h cR Fs w e p t 缸o m7 5 - 1 0 3 G m ，a n dam i n i m u m n v e r S i o nl o s so f7 5 4 d Bh 丛b e e nm c 嬲u r e da t7 5 G H z T h ei s o l a t i o nb c t w e e nL ot 0 R Fi s2 2 2 d B F o rL o 丘nl i n cf a c a d c 1 e s st h a n1 2 8 d Bc o n v c 岱i o nl o s sf o
14、r2 8 G H zR F i n s t 卸t a I l c o 惦，I Fb 卸d w i d t hw 勰a c h i e v e d 鹤t h cR F 鲫e p t 的m7 5 1 0 3 G H z ，柚da m i l l i m 岫0 0 n v c r s i 伽l o s so f8 4 7 d Bh 硒b e e nm e 鹪u r e da t8 1 G H z T h ci s o l a t i b e M 伽L O t o R F i s2 4 9 d B h n p r o V c m e mi s i n t r o d u c c di l It h e
15、e n d A sak e yc o m p o n e n to f 龇i v cs y s t e m ， m i x c fp l a y s 缸i n l p o r t 锄tm l ea n di li m p r o v 髂t h ep c 渤加锄c co fa ns y s t e md i r e c n y T h er 鹳u l td i s c u s s e da _ b 0 V ei s t t h eb c s tp c r f o 哪a I l o ft l l i si n t c 蓼a t e dc o n s t n l c t i o n m o m s
16、c a r c he f f b r ti sr c q u m 讨m x t K t I y w o r d s ：w - b 柚d ，m i l l i m c t 盯w a v e ，b r o a 曲a n d ，m j 】【c r m 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其它人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书面使用过的材料。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。 签名；叠垫日期：。
17、刁年牟月f 8 日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学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。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名：丝 噍矽p 月少日 第一章绪论 1 1课题背景 第一章绪论 在毫米波通信系统中，调制、扩频、解扩等处理一般是在较低的频段下进行 的。混频器的作用是将毫米波段信号下交频至较低频段，再将处理后的信号上变 频到毫米波频段。对于
18、多数的毫米波实用接收系统多采用超外差式方案，由于毫 米波低噪声放大器还未达到实用阶段，接收机中的第一级还是由混频器承担。现 如今，随着卫星通信、军事技术的发展，使用频率不断升高，宽带需要不断增大， 适合空间需要的毫米波射频前端是限制我国有效载荷发展的一大技术难题，因此 毫米波混频部件的研究显得尤为重要，其低成本、低噪声、集成化、宽带带特性 一直是人们追求的目标。 毫米波集成电路包括混合集成( H M I C ) 和单片集成( M M I c ) 。国外到8 0 年 代末H M I c 毫米波混频器1 4 0 G H z 以下技术已经成熟，自1 9 8 6 年起美国投资1 0 亿美元实施一项G
19、a A s 微波毫米波M M I c 发展计划后，毫米波混频器的发展重点 从H M I c 转向M M I C 。迄今为止，国外已经研制出K 丑、U 、W 、D 波段的高性能 M M I c 混频芯片以及多功能的全单片收发单元。从国外的情况来看，9 0 年代是国 际上G a A sM M I c 从研制转向实用化的时代，目前5 0 G H z 频段以下已有大批量产 品生产，5 0 1 0 0 G H z 频段处于改进研制、并转入批量生产阶段，1 0 0 G H z 以上则带 有探索性。 自8 0 年代开始，国内毫米波技术研究工作十分活跃，大约5 0 余个高等学校 和研究所从事毫米波开发研究工作
20、，从元器件和部件研制逐步转向系统研制。在 混频器方面，采用悬置微带、鳍线、交叉带线、共面波导以及介质波导等多种结 构形式的研究成果相继发表，其中鳍线电路应用最为广泛。迄今为止，国内K a 、 u 、w 波段混频器已有适用于工程应用的产品。但是由于基础差，加之材料与工艺 水平的限制，国内毫米波混频器的研究重点至今还局限在混合集成方面。 电子科技大学硕士学位论文 1 2国内外发展动态 混频器最早由A 玎n s t r n g 在1 9 2 4 年研制成功。从国外混频器的整个发展来看， 七十年代主要是针对肖特基二极管的混频特性以及鳍线等毫米波传输线进行大量 理论分析及研究；八十年代，采用鳍线、共面线
21、、悬置微带等形式的混合集成毫 米波混频器发展迅速，w 频段的混频器也逐渐成熟；九十年代后，采用M M I c 技 术混频器的研制成为这一时期的主要发展方向。本节将分别介绍K a 波段、w 波段 以及其它一些毫米波频段混频器的国内外发展动态。 一、K a 波段国内外动态 在国外，1 9 9 2 年，I U L 舳g 等人研制的环形G a A s 二极管混频器，本振3 5 G H z ， 功率1 5 d B m 时，射频工作在K a 全频段。当腰输出1 0 0 M H z ，得到最小的变频损 耗为4 6 d B I l J 。 1 9 9 5 年前，国外就已经采用P H E M T 肖特基势垒二极
22、管M M I C 技术，实现R F 频率3 2 4 0 G H z 范围内，变频损耗小于8 5 d B 。最好值为射频3 8 G H z 时，变频损 耗5 5 d B 的结果【2 J 。 国内，2 0 0 0 年，电子科技大学徐军老师研制的8 m m 鳍线一魔T 本振混频组件， 射频2 6 5 - 4 0 G H z 全频带，本振3 5 G H z ，变频损耗4 7 9 5 d B ；当射频在3 3 3 7 G H z 的4 G H z 机调带宽内变化，变频损耗4 9 6 2 d B 。L O R F 之间的隔离度大于2 0 d Bp 】。 2 0 0 0 年，蒋金水等人采用环形结构实现K a
23、 波段混合集成本振混频组件，在射 频2 G H z 带宽下，双边带噪声系数3 4 4 2 d B ，L O R F 隔离度大于2 7 d B 【4 】。 2 0 0 3 年，薛泉等人研究的K a 波段4 次谐波混频器，得到在射频2 6 5 4 0 G H z 全频带范围内，变频损耗小于1 6 d B 。其中当射频3 5 G H z ，变频损耗6 1 d B ，3 d B 带宽6 G H z 州。 2 0 0 5 年，c h u a n gw a l l g 等人采用混合环单平衡混频结构，得到在本振频率 3 6 5 G H z ，功率9 d B m 时，变频损耗为7 d B 。其中Io 一球，L
24、 O R F 隔离度分别大 于4 0 5 d B 和3 1 d B I “。 2 0 0 5 年，台湾K a n J 吼c h g 等人研制的s P R MM M I c 混频器，射频 2 7 5 2 8 5 G H z ，本振1 3 2 G H z ，变频损耗小于1 3 d B ，L 0 一R F 隔离度大于3 5 d B 【7 j 。 2 0 0 6 年，陈继新等人采用O 1 8 I 聊G a A s P H E M T 工艺，研制了M M I c 混频器， 2 第一章绪论 当中频固定为2 G ，本振3 4 柏G H z 范围内，变频损耗小于9 5 d B ，其中在本振 3 9 G I k
25、 时，最小变频损耗7 2 d B 。L O R F 隔离度大于3 2 d B ( 1 】。 二、w 波段国内外动态 国外，1 9 r 7 5 年，A n t h o n yR K e r r 等人研制了室温和制冷条件下的低噪声混频 器，两种混频器的射频从8 0 1 2 0 G H z ，在伊一1 4 G ! 舷时，低噪室温混频器 工一5 5 扭，t ) 。5 0 0 K 低噪制冷混频器在腰- 4 2 5 G ! 舷时，工m 5 8 扭， L ( 。，- 3 0 0 K 。该文的主要贡献还在于它采用了1 4 减高波导以实现了全频带混 频器【9 】。 1 9 7 9 年，C a r d i 弱m
26、e n 和P a f r i s h 将G a A s 梁氏引线二极管安装在熔融石英的 悬置微带混频电路中，在9 4 G I z 得到S S B 噪声温度7 6 0 K ，变频损耗6 d B 。由于 离散梁氏引线二极管寄生参数的影响，使得此种结构只适用与频率小于2 0 0 G l i z 的情况。 1 9 8 1 年，P a r r i s h 等人采用梁式引线二极管以及悬置带线结构制作的平衡混频 器，射频从9 0 G 王z 一9 4 G H z 的范围内变频损耗小于8 d B ”。 1 9 8 2 年，l ( c n n e t h 【0 u i c 等人采用正交型结构实现w 波段宽带混频器
27、，射频 8 0 1 0 2 G k 的2 0 G H z 带宽内，变频损耗小于7 5 G H z ，射频8 0 1 0 6 G H z 的带宽2 6 G H z 范围内变频损耗小于8 7 d B 。其中，从9 0 1 0 2 G I z 范围内，带宽1 2 G H z ，变频损 耗均小于5 6 d B u “。 1 9 8 3 年，R s m i l n 等人研制了两种形式的混频电路，一种是采用交叉条带结 构，本振7 5 G I z ，射频7 6 9 l G H z ，带宽1 5 G 坛，变频损耗小于7 5 d B ；本振9 0 G f k ， 射频9 5 1 0 5 G H z ，带宽1 4
28、 G H z ，变频损耗小于7 8 d B 。另一种采用鳍线一悬置微带 结构，射频7 6 1 0 8 G H z ，本振7 4 G H z ，带宽3 2 G H z ，变频损耗8 1 2 d B u “。 1 9 8 4 年，u o y dT Y u a n 等人采用交叉带线结构对W 波段宽带混频器进行研究， 射频8 3 6 9 2 6 G 范围内，变频损耗小于1 0 d B ，最好点在射频7 6 G I z 时变频损 耗7 5 d B 【1 3 J 。 1 9 8 5 年，也是C h a I l g 及R s 呦i m 等人研制了w 波段环形混频器，R F 带 宽9 G H z 范围内，变频
29、损耗小于7 d B 【1 6 J 。 1 9 8 7 年，s t “L o w 等人研制了交叉型混频器，本振8 4 G H z ，射频从8 5 1 0 0 G f k 的1 5 G k 带宽下，变频损耗整体小于7 d B 叫。 3 电子科技大学硕士学位论文 1 9 7 5 年，G y s c l 提出了一种K a 频段的混合集成鲳线一共面线平衡混频器，它 由鳍线、微带和共面线三种传输媒介构成。1 9 8 3 年w b l f g 柚gM c n z d 等人将此种结 构用于w 频段，射频9 4 G I z 时，变频损耗大约7 d B 左右D 7 l 。 2 0 0 5 年，M u n K y
30、ok c 等人研究了在低本振功率下的鳍线一共面线平衡混频 器特性，当射频频率9 2 9 G H z 时，本振9 4 3 G H z ，在本振功率只有6 d B m 的情况 下，变频损耗小于1 0 d B ，本振一射频隔离度大于2 9 6 d B n ”。 国外采用删I C 设计的9 4 G H z 单平衡混频器芯片，变频损耗不大于8 d B ，噪声 系数小于6 d B 。H u g h e s 公司已经研制出频率范围为7 5 一1 1 0 G H z 的w 波段全频段性 能良好的单片集成平衡混频器。 国内，电子科技大学谢晋雄对两种w 波段宽带混频器结构进行研究，一种是 鳍线一带线集成混频器，另
31、一种为鳍线一共面波导结构，前一种结构在本振 9 0 G H z ，射频8 5 9 5 G H z 范围内，变频损耗小于1 5 d B ，最小值为1 2 5 d B ，带宽 1 0 G H z ；后面采用鳍线一共面线结构本振9 1 G H z ，射频带宽8 G H 匠范围内，变频损 耗为9 1 2 d B u ”。 2 0 0 1 年，南京电子技术研究所胡建凯等人用M A 4 0 4 7 卜1 0 l o 梁式引线二极管 研制的单端混频器与单平衡混频器射频在9 3 G H z 9 6 G H z 的频率范围内，变频损 耗小于1 0 d B 和9 d B 。该混频器基本上达到国际8 0 年代末的水
32、平协J 。 2 0 0 4 年，电子科大董庆来对w 波段鳍线共面线平衡混频器进行研制，射频 9 2 9 6 G H z ，本振9 0 G H z 下，变频损耗小于1 5 d B ，端口隔离度大于2 0 d B i 2 ”。 2 0 0 2 年，m - J i n gH w 柚g 等人制作的宽带s H PM M I c 混频器覆盖了整个w 波 段。本振4 8 G k ，功率1 0 d B m ，射频从7 8 G H z 到1 1 4 G ，变频损耗1 0 0 1 4 0 d B ， 在中心频率上达至最小变频损耗1 0 d B 陋J 。 2 0 0 4 年，Y u h _ J i n gH w a
33、 n g 等人制作的w 波段高电子迁移晶体管( 既M T ) s H P 栅极混频器，当L o 为4 2 G H z ，功率为1 1 d B m 时，最好的变频损耗为4 7 d B 瞄J 。 三、其它频段国内外动态 国外采用高性能G a A s 肖特基势垒二极管在5 0 G k 时变频损耗小于4 d B 阱】。 1 9 7 6 年，A H i s l o p 等人研制的4 0 一6 0 G H z 宽带毫米波平衡混频器，在4 0 一 5 8 G k 的带宽内变频损耗为8 5 1 d B ，l D R F 隔离度2 5 d B I 。 4 第一章绪论 6 衄波段在保密通信、遥感等方面应用广泛，国
34、外采用删I C 设计的6 0 G H z 单 平衡混频器芯片，变频损耗为6 d B ，噪声系数小于3 3 d B 。 1 9 8 4 年，w b l f g a n gM e n z c l 等人采用鳍线一共面线结构实现了1 4 0 G H z 工作的 宽带混频器，本振1 3 1 5 G H z ，射频频率1 3 0 1 4 2 G k ，带宽1 2 G H z ，变频损耗小 于7 5 d B 乜6 】。 在国内1 9 9 4 年，中科院上海物理研究所的王彪等人采用国产梁式引线混频二 极管研制成功4 舢鳍线共面波导平衡混频器。其本振6 7 G H z ，射频从6 8 到8 0 G H 匕， 变
35、频损耗8 6 - 1 1 d B ，本振、射频隔离度大于1 8 d B J 。 2 0 0 6 年，国内南京电子器件研究所研制的6 m m 鳍线平衡混频器，在本振功率 l 叫B m 时，射频4 7 G H z ，变频损耗小于3 5 d B ，L o R F 隔离度2 0 d B 汹j 。 总结：国外K a 波段近些年来的发展方向主要是低本振功率下的谐波M M I C 、 双平衡M M I C ；国内8 m m 频段混频器不论在窄带还是宽带都得到了很好的研究结 果，主要是针对对本振一混频组件，二次、四次谐波混频器的研究以及将M M I C 作为新的研究方向。在4 咖、6 m m 频段，国内在混合
36、集成方面也取得了很好的研 究成果，有些结果已经达到了国际先进水平。通过对w 波段国内外发展现状的对 比分析，不难看出，国内在w 频段以及更高频率段，由于受到加工工艺、材料等 限制，不论是混合集成还是单片集成，其性能还与国际研究成果有很大的距离。 w 波段正好位于两个大气吸收峰之间，是毫米波中重要的窗口频率，研究该波段 的混频器具有许多现实的意义，因此有必要对w 波段混频器进行更多更全面的研 究。 1 3 论文工作 本文的设计方案采用E 面混合电路的混频方式，电路结构采用鳍线共面波导 二极管平衡混频形式。拟解决的关键问题是根据混频二极管的工作机理及宽带要 求对本振、射频、中频端进行设计。设计时应
37、用理论分析并结合计算机仿真结果， 给出鳍线平衡混频器的各端口结构及尺寸，完成平衡混频器的优化、调试、测试 工作。 本论文的主要工作包括： 1 鳍线、共面波导特性参数及其过渡分析； 5 电子科技大学硕士学位论文 2 毫米波单平衡混频器理论分析； 3 鳍线一共面波导混频器的设计、制作与测试。 w 波段单平衡宽带混频器预期目标如下： 射频频率：7 5 1 1 0G H z 本振频率：9 2 5G H 匕 中频频率；O 1 7 5G H z 变频损耗：1 5 d B 射频输入口采用w R 1 0 波导接口法兰 本振输入口采用w R 1 0 波导接口法兰 中频输出口采用K 接头输出。 6 第二章毫米波平
38、面传输线及其过渡 2 1鳍线 第二章毫米波平面传输线及其过渡 鳍线是便于制作毫米波混合集成电路的一种准平面结构。1 9 7 2 年， P J M e i 盯b o - 3 1 J 首先提出了将鳍线作为一种新型的传输线应用于毫米波频段。其工作 于毫米波频段，主要特点是单模工作带宽可达一个倍频程以上；兼容于平面电路 技术，在毫米波低端，鳍线具有较低的插入损耗等。与标准矩形波导相比，虽然 矩形波导具有相对低的损耗，但是不便于平面集成电路装配；鳍线相较于微带、 槽线、共面线，后者虽然在平面集成电路中有着非常广泛的应用，但这些传输线 易于受到实际的加工精度影响，特别是毫米波频段，在条宽很窄的情况下其应用
39、 受到很大的限制。现今，有报导的鳍线及其它的E 面传输线工作频率可从3 0 G H z 到1 4 0 G H z ，对于一些特殊的应用，甚至可以到1 7 0 G H z 。 与其它平面传输线相似，鳍线的金属锐边以及非均匀的介质负荷使得分析其 传播特性变得复杂。从传播模式上分析，鳍线传播的是一种由H E 及E H 组成的混 合模，这些模式中含有日：、E ：场分量。当把金属波导看成理想导电的情况下， 在截止状态下就变成纯的T E 及T H 模，如果设计得当，就可以保证鳍线中传播的 主模为准尼j 。模。鳍线主要的分析方法包括：横向谐振法口9 ，”“】，传输线矩阵法叫， 频域技术B “，m z G a
40、 l e d d I l 法B ”，模式匹配技术【柏“】，另外，对于某些具体的 鳝线结构，一些近似分析方法也有报导呻驯。对于一些常用的、具有对称结构的 鳍线，可以用简单的经验公式计算其电特性，若是需要求解具有普遍适用性的鳍 线特性( 如不对称鳍线，多层介质鳍线) 就需要依赖于鳍线的严格分析方法。鳍 线的严格分析方法很多，频域法及频域导抗法是两种基本的严格分析方法。 2 1 1鳍线的一般特性及主要特性参量 鳍线特性参量主要包括波导波长以及特性阻抗。 利用频域法及频域导抗法可得到鳍线波导波长及特性阻抗比较精确的计算结 果，但从工程设计角度考虑，它们冗长的推导和复杂的计算会给设计带来诸多不 便。有鉴
41、于此，有关单面双面鳍线的一些简单的近似表达式相继发表，其中M e r i 盯 提出的计算这两种结构导形波长五。和特性阻抗乙的近似公式为： 7 电子科技大学硕士学位论文 以= Z c = ( 2 1 ) ( 2 2 ) 式2 1 中， 为自由空间波长，乞为等效介电常数，以为相同尺寸的脊波导 截止波长。公式2 2 中，z 。为尺寸相同，空气填充的加鳍波导频率无穷时的特性 阻抗。对于常用的低介电常数介质( 占，= 2 2 2 ) 的鳍线，t 的变化范围是1 0 5 1 4 ，丸的变化范围是2 5 口到3 0 4 ，a 为波导宽边尺寸。 8 ， 霪 l L 轧 l l L j L 一 ( a ) 单面
42、刘称双鳍鲢线 8 ， 毳 卜乙 _ L + 一 ( b ) 单面不别称单鳍鳍线 图2 1 单面鳍线结构 对称单面鳍线结构如图2 一l ( a ) 所示，毫米波矩形波导宽高比4 6 = 2 ， 占= 2 2 2 ，由S h a r n l a 和H o e r 向m 】提出的近似表达式可知： 巳= 占。F ( w 6 ，J d ，A ，占，) ( 2 3 ) 其中，占。为截面上的有效介电常数，且占。= ( 以) 2 ，为鳍线中的截至波 长。得到归一化介质频率的表达式为： 丢- o z s 4 秽” 以 。6 8 ( 2 4 ) 而南 r _ j 第二章毫米波平面传输线及其过渡 寺叫争争 其中，彳
43、，p ，g 为( 占，= 2 2 2 ) ：A = O 1 7 4 8 ，g = - o 0 8 3 6 p = o 1 6 ( 旦) ” 口 n 1 6 咿虬0 0 0 1 l n 哆一寺 口 4 j Z F ： ：篓，一 上鱼上 3 242 0 三 竺 三 844 ( 2 5 ) p 1 = O 0 9 6 ( 竺) 一O 0 0 7 4 当考虑频率影响时，单面鳍线的特性阻抗可以通过对准确的频域结果的拟合 曲线来导出，其表达式为： ，72 4 0 研p l I l c 0 c ( 三詈) + g 】( 弘面忑孬赢毫 o 3 8 5 l l l c o s 8 c ( 三) + 1 7 6
44、2 2 ( ) ( 2 6 ) 式2 6 中，p = o 1 7 ( 鲁) + o 0 0 9 8 ，留一0 1 3 8 噜) + 0 8 7 3 根据以上单面对称鳍线设计的近似公式，可以得到导波波长以和特性阻抗z c 与w 的关系如下图所示： 9 1 4 l 一8 v I 一 d 一4 w 一口 v l 一 。一加。一勉 电子科技大学硕士学位论文 图2 - 2 w 波段单面对称鳍线归一化波长( 以九) 特性阻抗( z ) 随频率变化曲线 s ，= 2 2 2 d = O 1 2 7 啊= 1 1 4 3 m m 2 = 1 2 7 m m 波导= w R ( 1 0 ) 从上图可以得到有些有
45、用的电路设计初值，列表如下： 表2 - 1 单面对称鳍线归一化波长以九、特性阻抗z 与缝宽w 关系髟= 2 2 2 、 口= 2 5 4 m m 、6 = 1 2 7 肌小、d = O 1 2 7 五厶z ，= 9 2 5 G 爿2，= 1 5 G H z，= 1 1 0G = 舷 缝宽w ( 删) x | | 砥Z ( Q )九| | 砥Z ( Q )九I | kZ ( Q ) 0 10 9 0 41 7 20 9 3 51 7 50 8 7 91 7 3 3 0 1 5O 9 2 51 9 8 3O 9 6 32 0 1 7O 8 9 62 0 0 O 2O 9 4 42 2 4 2O 9
46、 8 72 3 0O 9 1 12 2 5 从图2 2 及表2 1 中，我们可以看到： 1 0 第二章毫米波平面传输线及其过渡 1 A 。九随着频率，的增加而减小； 2 z 随着频率厂的增加，先减小再增加，但是z 的变化幅度很小； 3 厂固定，随着鳍线缝宽w 的增加，旯。厶和z 都增大，由于实际受到加工 精度的影响，单面鳍线最小缝宽w 可以得到最小的z 值为l O o - 1 2 0 Q ； 4 其它参数固定不便，随着介质基片厚度d 的增加，A 。厶和z 值都会轻微 的减小； 5 实际单面鳍线电路设计时，有时为了得到较小的阻抗值，一个比较简单的 方法是增加基片的介电常数值。 从图2 2 可知，
47、单面对称鳍线的实际加工缝宽使得能够实现的阻抗最小为 1 0 0 Q 。为了实现较低的鳍线阻抗，除了上述的采用增加基片介电常数值的办法外， 另一种行之有效的方法是采用单面不对称鳍线结构，如图2 1 ( b ) 所示。在相同 的缝宽w 下，采用图2 1 ( b ) 结构的特性阻抗要比( a ) 结构的低。 2 1 2 矩形波导一鳍线过渡 在鳍线各种电路的实际应用中，鳍线到标准矩形波导的过渡是必不可少的。 矩形波导和鳍线之间的宽带过渡通常采用渐变鳍线段实现。在这种过渡下，鳍线 槽宽逐渐变化到全高金属波导。鳍线渐变段的设计主要是选择一种沿渐变方向的 平滑阻抗变换曲线，以便由它引入的反射损耗在所要求的频
48、带内低于可允许的极 限值，并且渐变段的物理尺寸应尽可能短。此外，虽然越窄的鳍线缝宽会得到越 低的阻抗值，但是在实际制作时应考虑平滑渐变线在制作工艺上实现的可能性。 这些要求彼此不协调，实际设计时只能取其折中，一般以保证实现工艺制作为主。 单面对称双鳍鳍线过渡段形式如图2 3 ( a ) ，不对称鳍线结构如图2 3 ( b ) 所 示。单面鳍线过渡结构现已经发表了很多工程上适用的渐变形式，而最佳渐变形 式的选取原则是选择恰当的变换函数，以保证在给定渐变长度内获得最小反射系 数，或在允许的反射系数下获得最短的渐变长度。 电子科技大学硕士学位论文 图2 3( a ) 单面对称双鳍鳍线过渡 单面不对称单鳍鳍线过渡 通常采用的一种过渡函数为M i r s h e k a r 等提出正弦函数过渡公式： 以加6 _ ( 6 一w ) s i I l 2 ( 旁 0 痤， ( 2 7 ) 采用此过渡形式，可以在宽带范围内得到很小的回波损耗。 2 2 共面波导 槽线、共面波导以及共面带状线都属于共面传输线类型，他们的导体部分都 位于介质基片的同一面上。共面波导结构首先由w e n 于1 9 6 9 年脚J 提出，结构及 电场分布如图2 4