radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2019-22-4-31-44radioelectronics-352Research ArticleОРИГИНАЛЬНАЯ СТАТЬЯORIGINAL ARTICLEШирокополосный волноводно-микрополосковый переход для частотного диапазона 60 ГГЦDesign of Wideband Waveguide-to-Microstrip Transition for 60 GHz Frequency Bandhttps://orcid.org/0000-0002-9827-6720МожаровскийА. В.MozharovskiyAndrei V.

старший инженер по СВЧ-устройствам и антенной технике

Senior microwave systems and antennas engineer 

andrey.mozharovskiy@radiogigabit.comАртеменкоА. А.ArtemenkoAleksey A.

кандидат технических наук (2013), директор по исследованиям и разработкам

Cand. Sci. (Engineering) (2013), R&D director

alexey.artemenko@radiogigabit.comМасленниковР. О.MaslennikovRoman O.

кандидат физико-математических наук (2012), генеральный директор

Cand. Sci. (Phys.-Math.) (2012), CEO

roman.maslennikov@radiogigabit.comhttps://orcid.org/0000-0001-5632-1223ВендикИ. Б.VendikIrina B.

доктор технических наук (1991), профессор (1993) кафедры микрорадиоэлектроники и технологии радиоаппаратуры, руководитель лаборатории СВЧ-микроэлектроники

Dr. Sci. (Engineering) (1991), Professor (1993) of the Department of Microradioelectronics and Radio Technology, Head of the Laboratory of Microwave Microelectronics

ibvendik@rambler.ruООО "Радио Гигабит"РоссияLLC "Radio Gigabit"Russian FederationСанкт-Петербургский государственный электротехнический университет "ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)РоссияSaint Petersburg Electrotechnical University "LETI"Russian Federation2019011020192243144Copyright © Можаровский А.В., Артеменко А.А., Масленников Р.О., Вендик И.Б., 20192019Можаровский А.В., Артеменко А.А., Масленников Р.О., Вендик И.Б.Mozharovskiy A.V., Artemenko A.A., Maslennikov R.O., Vendik I.B.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/352Введение

Введение. Частотный диапазон вблизи 60 ГГц – один из наиболее перспективных для создания высокоскоростных систем связи нового поколения за счет использования широкой полосы частот передаваемых сигналов, существенно превышающей доступные значения до 6 ГГц в традиционных частотных диапазонах. Активное развитие систем связи диапазона около 60 ГГц подкрепляется расширением многообразия соответствующих полупроводниковых компонентов и планарных устройств, реализуемых на СВЧ печатных платах и имеющих интерфейс на основе микрополосковых линий передачи. Для измерения и отладки полупроводниковых компонентов и планарных устройств возникает необходимость их соединения с волноводным интерфейсом измерительного оборудования, что может быть выполнено с помощью волноводно-микрополоскового перехода.

Цель работы

Цель работы. Разработка и исследование планарного широкополосного волноводно-микрополоскового перехода для частотного диапазона около 60 ГГц, обеспечивающего малый уровень вносимых потерь.

Материалы и методы

Материалы и методы. Для достижения поставленной цели проанализировано влияние неоднородностей в структуре перехода на его характеристики, а также исследованы методы устранения таких неоднородностей. Анализ влияния неоднородностей и расчет характеристик разработанного перехода выполнены с помощью электродинамического моделирования и подтверждены результатами экспериментального исследования изготовленных образцов широкополосного волноводно-микрополоскового перехода.

Результаты

Результаты. Разработанный переход основан на электромагнитном взаимодействии через щелевую апертуру в экране микрополосковой линии и не содержит в своей структуре слепых переходных отверстий, часто применяемых для переходов миллиметрового диапазона частот, но значительно увеличивающих сложность и стоимость изготовления. Переход выполнен с возможностью непосредственного подсоединения к отрезку прямоугольного волновода стандартного сечения WR-15 без дополнительных модификаций в структуре волновода. По результатам моделирования и экспериментального исследования полоса пропускания перехода равна полной полосе пропускания волновода WR-15, а именно 50...75 ГГц по уровню –2 дБ коэффициента прохождения, а потери, вносимые в передаваемый сигнал, не превышают 0.8 дБ на частоте 60 ГГц.

Заключение

Заключение. Широкая полоса пропускания сигнала, небольшие потери, устойчивость к неточностям изготовления и простота интеграции позволяют использовать волноводно-микрополосковый переход для соединения различных микрополосковых и волноводных устройств миллиметрового диапазона длин волн.

Introduction

Introduction. The frequency band around 60 GHz is one of the most promising to realize new generation communication systems with high data rate due to the utilization of a wide operational frequency band that significantly exceeds traditional frequency bands below 6 GHz. High interest in the development of 60 GHz communication systems is related to the recent evolution of MMIC technology that allows creating effective components for this band and the variety of planar devices. Both are typically realized on printed circuit boards and have interfaces that are based on microstrip lines. The wideband waveguide-to-microstrip transition is required to test various active and passive planar devices with microstrip interfaces in order to provide an effective interconnection between the standard waveguide interface of measurement equipment and planar microstrip structures.

Objective

Objective. The paper deals with the design of planar wideband waveguide-to-microstrip transition with low insertion loss level in the 60 GHz frequency band.

Materials and methods

Materials and methods. The main objective is achieved by analyzing of discontinuities in waveguide-tomicrostrip transition structure and their influence on transition characteristics. The transition characteristics are analyzed using full-wave electromagnetic simulation and confirmed with experimental investigation of designed wideband waveguide-to-microstrip transition samples.

Results

Results. The designed transition is based on an electromagnetic coupling through a slot aperture in a microstrip line ground plane. The transition is performed without using blind vias in its structure that provides low production cost and al-lows integrating the WR-15 rectangular waveguide in a simple manner without any modifications in the waveguide structure. Results of the electromagnetic simulation are confirmed with experimental investigations of the fabricated waveguide-to-microstrip transition samples. The designed transition provides operation in the nominal bandwidth of the WR-15 waveguide, namely, 50…75 GHz with the insertion loss level of 2 dB and with less than 0.8 dB insertion loss level at the 60 GHz frequency.

Conclusion

Conclusion. The designed waveguide-to-microstrip transition can be considered as an effective solution for interconnection between various waveguide and microstrip millimeter-wave devices due to its wideband performance, low insertion loss level, simple integration and robustness to the manufacturing tolerances structure.

миллиметровый диапазон длин волнволноводно-микрополосковый переходпечатная платаметаллический волноводmillimeter wave bandwaveguide-to-microstrip transitionprinted circuit boardhollow metal waveguideReferences802.11–2016 – IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks – Specific requirements. Pt. 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. IEEE Std. 802.11–2016. doi: 10.1109 /IEEESTD.2016.7786995802.11–2016 – IEEE Standard for Information technology – Telecommunications and Information Exchange between Systems Local and Metropolitan Area Networks – Specific requirements. Pt. 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications. IEEE Std. 802.11–2016. doi: 10.1109 /IEEESTD.2016.7786995Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work! / T. S. Rappaport, Shu Sun, R. Mayzus, Hang Zhao, Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz, M. Samimi, F. Gutierrez // IEEE Access (Invited). 2013. Vol. 1, № 1. P. 335–349. doi: 10.1109/ACCESS.2013.2260813Rappaport T. S., Sun Shu, Mayzus R., Zhao Hang, Azar Y., Wang K., Wong G. N., Schulz J. K., Samimi M., Gutierrez F. Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work! IEEE Access (Invited). 2013, vol. 1, no. 1, pp. 335–349. doi: 10.1109 /ACCESS.2013.2260813Stevens M., Grafton G. The Benefits of 60 GHz Unlicensed Wireless Communications. 10 p. URL: https://www.faltmann.de/pdf/white-paper-benefits-of-60ghz.pdf (дата обращения: 08.07.2019)Stevens M., Grafton G. The Benefits of 60 GHz Unlicensed Wireless Communications. 10 p. Available at: https://www.faltmann.de/pdf/white-paper-benefits-of-60ghz.pdf (accessed 08.07.2019)Решение ГКРЧ от 20.12.2011 № 11-13-06-1. Об использовании радиоэлектронными средствами фиксированной службы полосы радиочастот 57-64 ГГц (в ред. от 10.03.2017 г. № 17-40-03). URL: http://grfc.ru/upload /medialibrary/713/Reshenie_GKRCH_ot_10.03.2017_17_4 0_03_15.02.2019.docx (дата обращения: 11.07.2019)Decision of the State Committee for Emergencies of 12.12.2011 no. 11-13-06-1. On the use by radio-electronic means of the fixed service of the radio frequency band 57-64 GHz (as amended on March 10, 2017 no. 17-40-03). Available at: http://grfc.ru/upload /medialibrary/713/Reshenie_GKRCH_ot_10.03.2017_17_4 0_03_15.02.2019.docx (accessed 11.07.2019) (In Russ.)Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Operation in the 57–64 GHz Band. URL: http://fjallfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-13-112A1.pdf (дата обращения: 08.07.2019)Revision of Part 15 of the Commission’s Rules Regarding Operation in the 57–64 GHz Band. Available at: http://fjallfoss.fcc.gov/edocs_public/attachmatch/FCC-13-112A1.pdf (accessed 08.07.2019)ECC Recommendation (09)01. Use of the 57–64 GHz Frequency Band for Point-to-Point Fixed Wireless Systems. URL: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf /Rec0901.pdf (дата обращения: 08.07.2019)ECC Recommendation (09)01. Use of the 57–64 GHz Frequency Band for Point-to-Point Fixed Wireless Systems. Available at: http://www.erodocdb.dk/Docs/doc98/official/pdf /Rec0901.pdf (accessed 08.07.2019)Wells J. Multi-Gigabit Microwave and Millimeter-Wave Wireless Communications. Norwood, MA: Artech House, Inc., 2010. 224 p.Wells J. Multi-Gigabit Microwave and Millimeter-Wave Wireless Communications. Norwood, Artech House, Inc., 2010, 224 p.Kim K. W., Na C. H., Woo D. S. New Dielectric-Covered Waveguide-to-Microstrip Transitions for Ka-Band Transceivers // IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. 8–13 June 2003. Philadelphia, PA, USA. Digest. Vol. 2. Piscataway: IEEE, 2003. P. 1115–1118. doi: 10.1109/MWSYM.2003.1212564Kim K. W., Na C. H., Woo D. S. New Dielectric-Covered Waveguide-to-Microstrip Transitions for Ka-Band Transceivers. IEEE MTT-S Inter. Microwave Symposium. 8–13 June 2003 Philadelphia, PA, USA. Digest. Vol. 2. Piscataway, IEEE, 2003, pp. 1115–1118. doi: 10.1109/MWSYM.2003.1212564Refined Characterization of E-plane Waveguide to Microstrip Transition for Millimeter-Wave Applications / Y. Tikhov, J.-W. Moon, Y.-J. Kim, Y. Sinelnikov // Asia-Pacific Microwave Conf. 3–6 Dec. 2000, Sydney, Australia. Piscataway: IEEE, 2000. P. 1187–1190. doi: 10.1109/APMC.2000.926043Tikhov Y., Moon J.-W., Kim Y.-J., Sinelnikov Y. Refined Characterization of E-plane Waveguide to Microstrip Transition for Millimeter-Wave Applications. Asia-Pacific Microwave Conf. 3–6 Dec. 2000, Sydney, Australia. Piscataway, IEEE, 2000, pp. 1187–1190. doi: 10.1109/APMC.2000.926043Shih Y.-C., Ton T.-N., Bui L. Q. Waveguide-to-Microstrip Transitions for Millimeter-Wave Applications // IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. 25–27 May 1988, New York, USA. Digest. Piscataway: IEEE, 1988. P. 473–475. doi: 10.1109/MWSYM.1988.22077Shih Y.-C., Ton T.-N., Bui L. Q. Waveguide-to-Microstrip Transitions for Millimeter-Wave Applications. IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. 25–27 May 1988, New York, USA. Digest. Piscataway, IEEE, 1988, pp. 473– 475. doi: 10.1109/MWSYM.1988.22077Lou Y., Chan C. H., Xue Q. An in-line Waveguideto-Microstrip Transition Using Radial-Shaped Probe // IEEE Antennas and Propagation Society Inter. Symp. 9–15 June 2007, Honolulu, USA. Piscataway: IEEE, 2007. P. 3117–3120. doi: 10.1109/APS.2007.4396196Lou Y., Chan C. H., Xue Q. An in-line Waveguideto-Microstrip Transition Using Radial-Shaped Probe. IEEE Antennas and Propagation Society Inter. Symp. 9–15 June 2007, Honolulu, USA. Piscataway, IEEE, 2007, pp. 3117– 3120. doi: 10.1109/APS.2007.4396196A Full Wave Analysis of Microstrip-to-Waveguide Transitions / H. W. Yao, A. Abdelmonem, J. F. Liang, K. A. Zaki // IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. 23–27 May 1994, San Diego, USA. Digest. Vol. 42, № 12. P. 2371–2380. doi: 10.1109/MWSYM.1994.335341Yao H. W., Abdelmonem A., Liang J. F., Zaki K. A. A Full Wave Analysis of Microstrip-to-Waveguide Transitions. IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. 23–27 May 1994, San Diego, USA. Digest, vol. 42, no. 12, pp. 2371– 2380. doi: 10.1109/MWSYM.1994.335341Grabherr W., Huder B., Menzel W. Microstrip to waveguide transition compatible with MM-wave integrated circuits // IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1994. Vol. MTT-42, № 9. P. 1842–1843. doi: 10.1109/22.310597Grabherr W., Huder B., Menzel W. Microstrip to waveguide transition compatible with MM-wave integrated circuits. IEEE Trans. on Microwave Theory and Techniques. 1994, vol. MTT-42, no. 9, pp. 1842–1843. doi: 10.1109/22.310597Hyvonen L., Hujanen A. A Compact MMICCompatible Microstrip to Waveguide Transition // IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. 17–21 June 1996, San Francisco, USA. Digest. Piscataway: IEEE, 1996. P. 875–878. doi: 10.1109/MWSYM.1996.511077Hyvonen L., Hujanen A. A Compact MMICCompatible Microstrip to Waveguide Transition. IEEE MTT-S Inter. Microwave Symp. 17–21 June 1996, San Francisco, USA. Digest. Piscataway, IEEE, 1996, pp. 875–878. doi: 10.1109/MWSYM.1996.511077A Novel Waveguide to Microstrip Transition in Millimeter-Wave LTCC Module / Z. Wang, L. Xia, B. Yan, R. Xu, Y. Guo // IEEE Inter. Symp. on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies for Wireless Communications. 16–17 Aug. 2007, Hangzhou, China. Piscataway: IEEE, 2007. P. 340–343. doi:10.1109/MAPE.2007.4393616Wang Z., Xia L., Yan B., Xu R., Guo Y. A Novel Waveguide to Microstrip Transition in Millimeter-Wave LTCC Module. IEEE Inter. Symp. on Microwave, Antenna, Propagation, and EMC Technologies for Wireless Communications. 16–17 Aug. 2007, Hangzhou, China. Piscataway, IEEE, 2007, pp. 340–343. doi: 10.1109/MAPE.2007.4393616Xinfeng D. An Integrated Millimeter-Wave Broadband Microstrip-to-Waveguide Vertical Transition Suitable for Multilayer Planar Circuits // IEEE Microwave and Wireless Components Lett. 2016. Vol. 26, iss. 11, P. 897–899. doi: 10.1109/LMWC.2016.2614973Xinfeng D. An Integrated Millimeter-Wave Broadband Microstrip-to-Waveguide Vertical Transition Suitable for Multilayer Planar Circuits. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2016, vol. 26, iss. 11, pp. 897–899. doi: 10.1109/LMWC.2016.2614973Millimeter-Wave Topside Waveguide-to-Microstrip Transition in Multilayer Substrate / Y. Ishikawa, K. Sakakibara, Y. Suzuki, N. Kikuma // IEEE Microwave and Wireless Components Lett. 2018. Vol. 28, iss. 5. P. 380–382. doi: 10.1109/LMWC.2018.2812125Ishikawa Y., Sakakibara K., Suzuki Y., Kikuma N. Millimeter-Wave Topside Waveguide-to-Microstrip Transition in Multilayer Substrate. IEEE Microwave and Wireless Components Letters. 2018, vol. 28, iss. 5, pp. 380–382. doi: 10.1109/LMWC.2018.2812125Wideband Aperture Coupled Stacked Patch Type Microstrip to Waveguide Transition for V-Band / H. Y. Lee, D. S. Jun, S. E. Moon, E. K. Kim, J. H. Park, K. H. Park // IEEE Proc. of Asia-Pacific Microwave Conf., 2006. 12–15 Dec. 2006, Yokohama, Japan. Piscataway: IEEE, 2006. P. 360–362. doi: 10.1109/APMC.2006.4429440Lee H. Y., Jun D. S., Moon S. E., Kim E. K., Park J. H., Park K. H. Wideband Aperture Coupled Stacked Patch Type Microstrip to Waveguide Transition for V-Band. IEEE Proc. of Asia-Pacific Microwave Conference, 2006. 12–15 Dec. 2006, Yokohama, Japan. Piscataway, IEEE, 2006, pp. 360–362. doi:Волноводно-микрополосковый переход в частотном диапазоне 60 ГГц / А. А. Артеменко, Р. О. Масленников, А. Г. Севастьянов, В. Н. Ссорин // 19-я Междунар. Крымская конф. "СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии" (КрыМиКо'2009). 14–18 сентября 2009, Севастополь. Севастополь: Вебер, 2009. С. 505–506.1109/APMC.2006.4429440 19. Artemenko A. A. , Maslennikov R. O., Sevast'yanov A. G. , Ssorin V. N. Volnovodno-mikropoloskovyi perekhod v chastotnom diapazone 60 GGts [Waveguide to microstrip transition in the 60 GHz frequency band]. 19th Intern. Crimean conf. Microwave Engineering and Telecommunication Technologies (KryMiKo'2009). September, 2009. Sevastopol, Veber, 2009, pp. 505–506. (In Russ.)Microstrip Lines and Slotlines / K. C. Gupta, R. Garg, I. Bahl, P. Bharia. 2nd ed. Boston/London: Artech House, Inc., 1996. 535 p.Gupta K. C., Garg R., Bahl I., Bharia P. Microstrip Lines and Slotlines. 2nd ed. Boston/London, Artech House, Inc., 1996, 535 p.Pozar D. M. Microwave Engineering. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2012. 756 p.Pozar D. M. Microwave Engineering. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2012, 756 p.IEC 60153–2:2016. Hollow Metallic Waveguides. Pt. 2: Relevant Specifications for Ordinary Rectangular Waveguides. Standard of the International Electrotechnical Commission, 2016. URL: https://webstore.iec.ch /publication/24898 (дата обращения: 08.07.2019)IEC 60153–2:2016. Hollow Metallic Waveguides. Pt. 2: Relevant Specifications for Ordinary Rectangular Waveguides. Standard of the International Electrotechnical Commission, 2016. Available at: https://webstore. iec.ch/publication/24898 (accessed 08.07.2019)Felbecker R., Keusgen W., Peter M. Estimation of Permittivity and Loss Tangent of High Frequency Materials in the Millimeter Wave Band using a Hemispherical Open Resonator // IEEE Inter. Conf. on Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems (COMCAS). 7–9 Nov. 2011, Tel Aviv, Israel. Piscataway: IEEE, 2011. P. 1–8. doi: 10.1109/COMCAS.2011.6105829Felbecker R., Keusgen W., Peter M. Estimation of Permittivity and Loss Tangent of High Frequency Materials in the Millimeter Wave Band using a Hemispherical Open Resonator. IEEE Inter. Conf. on Microwaves, Communications, Antennas and Electronics Systems (COMCAS). 7–9 Nov. 2011, Tel Aviv, Israel. Piscataway, IEEE, 2011, pp. 1–8. doi: 10.1109/COMCAS.2011.6105829Horn A. Dielectric Constant and Loss of Selected Grades of Rogers High Frequency Circuit Substrates from 1–50 GHz: Technical Report 5788 / Rogers Corporation. Chandler, AZ, 2003. 12 p.Horn A. Dielectric Constant and Loss of Selected Grades of Rogers High Frequency Circuit Substrates from 1–50 GHz: Technical Report 5788. Rogers Corporation. Chandler, AZ, 2003, 12 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.