周彪

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

1 引言

随着通信技术的飞速发展，毫米波频段的产品应用在民用和军事领域越发广泛，如毫米波及太赫兹安检技术、自动驾驶中的毫米波雷达、毫米波相控阵雷等。在高频系统中，波导传输线作为一种低损耗传输结构是必不可少的。然而金属波导是开放结构，元器件与外部环境并没有形成隔离，因此基于波导传输结构的毫米波系统会受到外部环境影响，如灰尘、水汽、盐雾，这都会使得电磁波信号受到衰减并造成元器件腐蚀和金属腐蚀,进而使系统稳定性和可靠性受到影响。

波导窗是毫米波系统中的关键器件，可在系统内部与外部环境之间起到缓冲保护作用，如阻挡环境中灰尘和水汽，为内部器件提供一个相对稳定的工作环境。文献中提到的W 波段波导窗，其特点是在10%的带宽内回波损耗优于40dB；文献提到的波导窗采用环烯烃共聚物为介质窗材料，其特点是在49%的相对带宽内插损小于0.5dB。在这些已提出的波导窗中，其特性均围绕耐功率、耐热性、透明度、损耗特性及相对宽带等展开，对环境中的灰尘、水汽有一定的防护作用，但在极端的气候环境下（高湿度、高盐雾和极端温度），并不具有绝对的气密性、防护性和稳定性等特点，不能保证系统内部的元器件不受外部气候环境干扰。

本文提出的毫米波波导窗，由两层陶瓷基片，波导过渡结构组成，首次采用了高介电常数、零吸水率的陶瓷材料作为介质窗，具有绝对气密的特点，大幅提高毫米波系统在高低温、湿热、盐雾等环境下的稳定性和可靠性。此波导窗结构紧凑结构，外形尺寸仅为4.3mm*2.9mm*2.05mm，在-55℃～+85℃的环境温度下，46 ～53GHz 频段内回波损耗优于15dB，插入损耗小于0.4dB。

2 波导窗理论与设计

本文提出的波导窗由陶瓷介质、中间空气腔、匹配段和标准矩形波导构成。波导匹配段与中间空气腔位置间放置介质窗，简化模型如图1 所示。波导窗中电磁波场分布及反射和透射系数，可以建立级联传输矩阵来分析。对n 层窗片结构的输出窗，第 p 个填充区域， 其磁导率和介电常数为 μp和 εp。假输出窗的横向尺寸不变，且窗片介质是均匀的。对第p 区横向电场E(x,y,z)和横向磁场H(x,y,z)分别为：

图1： 双层窗片结构输出窗三维模型

根据以上推导可知，在已确定各区波导横向尺寸一致的情况下，通过选择合适的相对介电常数ε，ε，ε和介质片厚度d，d，d，即可使得r=0，即无反射传输。

本文提出的U 波段波导窗结构如图2 所示，由标准波导、匹配段和陶瓷基片三部分组成。由于第一和三层介质为陶瓷，所以相对介电常数已确定，ε=ε，中间层介质为空气ε=1，因此通过确定中间空气腔、介质材料尺寸及波导过渡段尺寸，即可得到无反射的低插损传输特性。本设计中介质窗材料为AlN 陶瓷材料，相对介电常数为8.8，损耗角正切系数为0.0001。通过在三维电磁仿真软件中建立模型并进行仿真验证及优化，图3 为不同空气腔厚度的波导窗传输特性仿真结果，空气腔厚度越大，插损越小，回波损耗越好，工作带宽越小。图4 为不同匹配波导长度的波导窗传输特性仿真结果，匹配段越短，波插损越小，回波损耗越好，工作带宽越小。因此要综合考虑工作带宽和插损的关系，选择最优的尺寸。本文中波导窗剖视图如图2b 所示，U 波段标准波导口横向尺寸为a0=4.775mm，b0=2.775mm；中间层空气腔尺寸a1=2.1mm，b1=2.1mm，z1=1.1mm；波导过渡段尺寸为a2=2.5mm，b2=4.4mm，z2=0.25mm。优化后仿真结果如图5 所示，在46-53GHz 内，回波损耗优于-20dB，插损小于0.1dB。

图2： 波导窗结构模型

图3： 不同空气腔厚度下的传输系数

图4： 不同匹配腔长度下的传输系数

图5： 波导窗优化后仿真结果

3 波导窗的加工与测试

图6(a)为密封安装结构示意图，实际加工后频率覆盖20GHz～100GHz 的系列波导窗实物如图6(b)所示，仿真模型中的空气腔和波导过渡段完全由一个镀金结构组成，两片陶瓷介质窗焊接到镀金结构的两侧，然后整体焊接到标准波导口端面，焊接区域的波导尺寸比标准波导尺寸略大，焊接区域向盒体内部为标准波导，整个结构焊接完成后，可直接与标准波导对接，进行测试。

图6： 波导窗结构示意图及加工实物

如图7 所示为实际测试结果，46-53GHz 频段内，回波损耗优于15dB，插损小于0.4dB。实测与仿真对比发现，回波损耗基本吻合，插损增大0.2dB，频带未偏移，满足实际工程使用需求。实测与仿真出现偏差，主要由以下两个原因导致：

图7： 仿真与实测结果

（1）在仿真过程中，金属腔体的材料设置为理想导体，但实际加工的金属表面不平整，实际插损变大。

（2）波导窗结构的两次对位焊接中，微组装精度有限，各结构间对位会出现误差，实际插损变大。

4 结论

本文提出一种应用于U 波段的波导窗结构，采用完全无吸水率的陶瓷基片作为介质窗材料，首次在采用高介电常数介质情况下，实现了低损耗、气密的波导窗结构。经测试验证，该波导窗在-55℃～+85℃的环境温度下，在46 ～53GHz频段内回波损耗优于15dB，插入损耗小于0.4dB，且其绝对气密性不产生变化。此波导窗结构紧凑，传输性能优异，解决了波导结构的毫米波器件及系统的气密性问题，大幅提升了使用波导传输结构的毫米波系统在不同环境下的稳定性与可靠性，也为更高频段的波导窗设计提供了设计思路。