Широкополосный волноводно-микрополосковый переход для частотного диапазона 60 ГГЦ

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

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. 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. 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.

1. 802.11–2016 – 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.2016.7786995

2. Millimeter 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.2013.2260813

3. Stevens 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)

4. 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)

5. 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)

6. 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)

7. Wells J. Multi-Gigabit Microwave and Millimeter-Wave Wireless Communications. Norwood, MA: Artech House, Inc., 2010. 224 p.

8. 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.2003.1212564

9. Refined 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.2000.926043

10. Shih 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.1988.22077

11. Lou 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.2007.4396196

12. A 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.1994.335341

13. Grabherr 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: 10.1109/22.310597

14. Hyvonen 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.1996.511077

15. A 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.2007.4393616

16. Xinfeng 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.2016.2614973

17. Millimeter-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.2018.2812125

18. Wideband 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.2006.4429440

19. 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.

20. Microstrip Lines and Slotlines / K. C. Gupta, R. Garg, I. Bahl, P. Bharia. 2nd ed. Boston/London: Artech House, Inc., 1996. 535 p.

21. Pozar D. M. Microwave Engineering. 4th ed. Hoboken, NJ: John Wiley & Sons, Inc., 2012. 756 p.

22. 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)

23. 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.2011.6105829

24. 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.