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研究生： 鄭岳弦
Yueh-Hsien Cheng
論文名稱： 小型且寬頻的平面傳輸線至矩形波導模態轉接
Compact and Broadband Planar Transmission Lines to Rectangular Waveguide Modes Transitions
指導教授： 王蒼容
Chun-Long Wang
口試委員: 吳瑞北
Ruey-Beei Wu
楊成發
Chang-Fa Yang
王蒼容
Chun-Long Wang
學位類別： 碩士
Master
系所名稱： 電資學院 - 電子工程系
Department of Electronic and Computer Engineering
論文出版年： 2017
畢業學年度： 105
語文別： 中文
論文頁數： 130
中文關鍵詞： 矩形波導 、高階模態 、轉接 、平面傳輸線
外文關鍵詞： Rectangular Waveguide, High order mode, transition, planar transmission line
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    • 摘要
    本論文提出了共面波導至矩形波導TE10模態轉接、共面波導至矩形波導TE20模態轉接以及微帶線至矩形波導TE20模態的轉接。
    第二章的內容為50 Ω共面波導至矩形波導TE10模態的轉接設計，這個設計使用一個180°相移器結合觸角型天線，實現在0.8 mm的Rogers®RO4003的基板上。單一轉接模擬的反射係數小於-15 dB的頻率涵蓋了整個X-band(8.2~12.4 GHz)，並且，於頻帶內穿透係數皆大於-0.244 dB；除了寬頻的特性之外，這個結構的體積相當小型。為了進一步縮小這個轉接的的尺寸，我們使用電感補償180°相移器結合觸角型天線來取代原來的設計，單一轉接模擬的反射係數小於-15 dB的頻率亦涵蓋了整個X-band(8.2~12.4 GHz)，並且，於頻帶內穿透係數皆大於-0.22 dB。
    在第三章中，我們提出了兩種平面傳輸線至矩形波導第一高階模態TE20轉接設計。其一為使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態轉接，使用基板為0.8 mm的Rogers®RO5880製作，操作頻率為WR-90波導的第一與第二高階模態截止頻率之間(13.1~14.76 GHz)。單一轉接模擬的反射係數小於-10 dB的頻寬涵蓋13.48 GHz到14.7 GHz，幾乎涵蓋第一與第二高階模態截止頻率之間的頻率範圍，並且，於頻帶內矩形波導TE10模態的穿透係數幾乎都小於-20 dB，耦合槽線模態的反射係數皆小於-19 dB。另一結構為使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態轉接，使用基板與操作頻率同上。單一轉接模擬的反射係數小於-10 dB的的頻寬涵蓋13.34 GHz到15 GHz，並且，頻帶內矩形波導TE10模態的穿透係數都小於-20 dB。

    ABSTRACT
    In this thesis, a coplanar waveguide to rectangular waveguide TE10 mode transition, a coplanar waveguide to rectangular waveguide TE20 mode transition, and a microstrip line to rectangular waveguide TE20 mode transition are proposed. The details of the content are described below.
    In Chapter 2, a 50-Ω coplanar waveguide to rectangular waveguide TE10 mode transition is discussed. The transition, which is implemented on a Rogers®RO4003 substrate of thickness 0.8 mm, consists of a 180° phase shifter and a feeler antenna. The frequency range, for which the reflection coefficient is smaller than -15 dB, covers the whole X-band (8.2~12.4 GHz). In the X-band, the transmission coefficient is larger than -0.244 dB. In addition to the broadband performance, the transition occupies a small area. In order to further reduce the circuit size, a transition, which consists of an inductance-compensated 180° phase shifter and a feeler antenna is proposed. The frequency range, for which the reflection coefficient is smaller than -15 dB, also covers the whole X-band (8.2~12.4 GHz). In the X-band, the transmission coefficient is larger than -0.22 dB.
    In Chapter 3, two planar transmission lines to rectangular waveguide TE20 mode transitions are proposed. First of all, through using the antisymmetric tapered probe, a coplanar waveguide to rectangular waveguide TE20 mode transition is proposed. The transition is implemented on a Rogers®RO5880 substrate of thickness 0.8 mm. The operation band of the transition is designated to fall between the frequency of the first higher mode and the frequency of the second higher order mode (13.1~14.76 GHz). The frequency range, for which the reflection coefficient is smaller than -10 dB, covers 13.48 GHz to 14.7 GHz, almost emcompassing the designated operation band (13.1~14.76 GHz). In this frequency range, the transmission coefficient of the TE10 mode is smaller than – 20 dB while the reflection coefficient of the coupled slotline mode is smaller than -19 dB. Secondly, a microstrip line to rectangular waveguide TE20 mode transition using the antisymmetric fork is proposed. The frequency range, for which the reflection coefficient is smaller than -10 dB, covers 13.34 GHz to 15 GHz. In this frequency range, the transmission coefficient of the TE10 mode is smaller than – 20 dB.

    目錄 摘要 I ABSTRACT II 致謝 IV 目錄 VI 表目錄 X 圖目錄 XI 第一章 簡介 1 1.1 研究動機 1 1.2 文獻探討 3 1.2.1 共面波導至矩形波導主模態TE10轉接 3 1.2.2 矩形波導高階模態轉接 9 1.3 貢獻 12 1.4論文架構 14 第二章 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接 15 2.1 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接 17 2.1.1 結構 17 2.1.2 等效電路分析 19 2.1.2.1 180°相移器 23 2.1.2.2 觸角型天線 31 2.1.2.3 整體轉接效能 33 2.1.3 初步電路實現 35 2.1.3.1 180°相移器 35 2.1.3.2 觸角型天線 38 2.1.3.3 整體轉接效能 40 2.1.4 最終電路實現 42 2.1.4.1 180°相移器 42 2.1.4.2 觸角型天線 42 2.1.4.3 整體轉接效能 48 2.1.5 背對背驗證 50 2.2 使用電感補償180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接 53 2.2.1 結構 53 2.2.2 電路分析 55 2.2.2.1 電感補償180°相移器 55 2.2.2.2 整體轉接效能 68 2.2.3 背對背驗證 70 2.3 結論 72 第三章 平面傳輸線至矩形波導TE20模態轉接 75 3.1 使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態轉接 76 3.1.1 結構 76 3.1.2 電路分析 78 3.1.2.1 共面波導至槽線模態中繼轉接設計 78 3.1.2.2 反對稱漸寬型錐形探針阻抗設計 84 3.1.2.3 整體轉接效能 88 3.1.3 背對背驗證 89 3.2 使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態轉接 92 3.2.1 結構 92 3.2.2 電路分析 94 3.2.2.1 音叉型結構阻抗設計 94 3.2.2.2 音叉型結構與50 Ω微帶線不連續效應 99 3.2.2.3 整體轉接效能 100 3.2.3 背對背驗證 101 3.3 結論 104 第四章 結論 106 4.1 結論 106 參考文獻 108 附錄I 110 反射係數n dB圓的阻抗求法 110 附錄II 112 如何在Ansoft® HFSS取得末端阻抗 112 附錄III 117 ABCD矩陣終端阻抗計算 117 附錄IV 122 3端口背對背轉接探討 122 附錄V 126 共面波導至矩形波導TE10模態轉接文獻比較 126 附錄VI 128 3端口網路終端耦合槽線端口 128 附錄VII 130 矩形波導TE10半波長的短路波導抑制TE10模態 130   表目錄 表2. 1 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接各參數尺寸(初始設計) 74 表2. 2 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接各參數尺寸(最終設計) 74 表2. 3 使用電感補償180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接各參數尺寸 74 表3. 1 使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態轉接各參數尺寸 105 表3. 2 使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態轉接各參數尺寸 105 表V. I 共面波導至矩形波導TE10模態文獻比較 127   圖目錄 圖1. 1 使用脊型波導的共面波導至矩形波導轉接結構與場型變化圖[1] 4 圖1. 2 使用脊型波導的LiNbO3介質板共面波導至矩形波導轉接結構與場型變化圖[2] 5 圖1. 3 使用末端偶極槽型天線的共面導至矩形波導轉接結構[3] 5 圖1. 4 使用末端矩形貼片結構的共面波導至矩形波導轉接[4] 6 圖1. 5 使用錐型鰭線的共面導至矩形波導轉接結構[5] 6 圖1. 6 使用錐型槽線探針的共面導至矩形波導轉接結構[6] 7 圖1. 7 使用末端探針結構的共面導至矩形波導轉接[7] 7 圖1. 8 使用電感補償槽線的共面導至矩形波導轉接[8] 8 圖1. 9 使用90°殘斷共振器的共面導至矩形波導轉接結構[9] 8 圖1. 10 使用彎曲結構的矩形波導TE10模態至TE20 與TE40模態轉接[10] 10 圖1. 11 矩形波導TE10模態至圓柱波導TE13模態轉接[11] 10 圖1. 12 矩形波導TE10模態至圓柱波導TE01模態轉接[12] 11 圖1. 13 使用鰭線結構的矩形波導TE10模態至TE20模態轉接[13] 11 圖2. 1 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之3D結構圖 18 圖2. 2 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之平面電路上視圖 19 圖2. 3 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之等效電路圖 20 圖2. 4 使用ADS模擬180°相移器的等效電路 29 圖2. 5 使用ADS模擬180°相移器等效電路的反射及穿透係數之頻率響應圖 29 圖2. 6 使用方程式(2.13)與使用ADS模擬的輸入阻抗Zin比較圖。(a)輸入阻抗實部re{Zin}。(b)輸入阻抗虛部im{Zin}。 30 圖2. 7 使反射係數達成-15 dB的觸角型天線阻抗值Za1(正規化至Za) 32 圖2. 8 使反射係數達成-15 dB的觸角型天線阻抗值Za1(正規化至260 Ω) 32 圖2. 9 觸角型天線阻抗Za=200 Ω所對應的的反射及穿透係數 34 圖2. 10 觸角型天線阻抗Za1=139.608與286.516 Ω所對應的反射係數 34 圖2. 11 180°相移器3D結構圖 36 圖2. 12 180°相移器平面電路圖 37 圖2. 13 使用商用軟體HFSS模擬180°相移器的S-參數頻率響應 37 圖2. 14 觸角型天線的3D結構圖 38 圖2. 15 觸角型天線的平面電路圖 39 圖2. 16 觸角型天線的阻抗(或是反射係數)隨頻率變化圖 39 圖2. 17 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之3D結構圖 40 圖2. 18 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之平面電路上視圖 41 圖2. 19 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之反射與穿透係數頻率響應圖 41 圖2. 20 180°相移器的S-參數頻率響應圖 43 圖2. 21 使用實際180°相移器的S-參數終端阻抗 43 圖2. 22 考量180°相移器之後所推得的理想觸角型天線阻抗Za=R+jXL 44 圖2. 23 不同的觸角型天線長度L所對應的觸角型天線阻抗之頻率響應圖 45 圖2. 24 加上方向器的觸角型天線之平面電路上視圖 46 圖2. 25 不同的方向器長度Ld所對應的觸角型天線阻抗之頻率響應圖(L=6.7 mm) 47 圖2. 26 不同的方向器長度Ld所對應的觸角型天線阻抗之頻率響應圖(L=7.2 mm) 47 圖2. 27使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之S-參數頻率響應(饋入端共面波導模態激發) 48 圖2. 28 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之S-參數頻率響應(饋入端共面波導與槽線模態激發) 49 圖2. 29 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導背對背轉接實際電路圖 51 圖2. 30 使用180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導之背對背轉接模擬與量測比較圖 51 圖2. 31 去除空橋的180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導之背對背轉接模擬與量測比較圖 52 圖2. 32 使用電感補償180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之3D結構圖 54 圖2. 33 使用電感補償180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之平面電路圖 54 圖2. 34 180°相移器。(a) 傳統180°相移器。(b) 電感補償180°相移器 57 圖2. 35 電感補償槽線單元。(a) 單元槽線。(b) 分成兩小段的單元槽線。(c) 等效電感模組。(d) 等效末端短路傳輸線模組 58 圖2. 36 路徑PA的一小段長度PAs上視圖 60 圖2. 37 路徑PAS電性長度的穿透係數相位隨頻率變化響應圖 60 圖2. 38 使用Agilent ADS 模擬圖2. 35的三種模型。(a) 模擬圖2. 35 (a)結構。(b) 模擬圖2. 35 (c)結構。(c) 模擬圖2. 35 (d)結構。 62 圖2. 39 使用Agilent ADS 模擬圖2. 35三種模型的穿透係數相位隨頻率變化響應圖 63 圖2. 40 電感補償槽線單元結構圖 64 圖2. 41 電感補償槽線單元的穿透係數相位隨頻率變化響應圖(Lsp=0.62 mm) 64 圖2. 42 9段電感補償槽線結構圖 66 圖2. 43 9段電感補償槽線的穿透係數相位隨頻率變化響應圖(Lsp=0.62 mm) 66 圖2. 44 10段電感補償槽線的穿透係數相位隨頻率變化響應圖(Lsp=0.62 mm) 67 圖2. 45 10段電感補償槽線180°相移器的S-參數隨頻率變化響應圖(Lsp=0.62 mm) 67 圖2. 46 電感補償槽線180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之S-參數頻率響應(共面波導模態激發) 68 圖2. 47 電感補償槽線180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導轉接之S-參數頻率響應(共面波導與槽線模態激發) 69 圖2. 48 電感補償槽線180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導背對背轉接製作圖 70 圖2. 49 電感補償槽線180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導背對背轉接之反射與穿透係數的模擬與量測比較圖 71 圖2. 50 去除空橋的電感補償槽線180°相移器結合觸角型天線的共面波導至矩形波導背對背轉接之反射與穿透係數的模擬與量測比較圖 71 圖3. 1 使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態轉接之3D結構圖 77 圖3. 2 使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態轉接之平面電路圖 77 圖3. 3 共面波導至槽線模態轉接的3D結構圖 79 圖3. 4 共面波導至槽線模態轉接的平面電路圖 79 圖3. 5 中繼轉接結構變換不同槽寬WS時的共面波導模態反射之頻率響應 81 圖3. 6 中繼轉接結構變換不同槽長LS2時的共面波導模態反射之頻率響應 81 圖3. 7 中繼轉接結構S-參數之頻率響應 82 圖3. 8 終端耦合槽線模態之後的中繼轉接結構的S-參數之頻率響應 83 圖3. 9變換不同槽長L2時，完美匹配所需的反對稱漸寬型錐形探針阻抗值 83 圖3. 10 反對稱漸寬型錐形探針的3D結構圖 85 圖3. 11 反對稱漸寬型錐形探針的平面電路圖 85 圖3. 12 反對稱漸寬型錐形探針變化La對末端阻抗影響 87 圖3. 13 反對稱漸寬型錐形探針變化Wa對末端阻抗影響 87 圖3. 14 使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態轉接之S-參數頻率響應 88 圖3. 15 使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態背對背轉接之實作示意圖 90 圖3. 16 使用反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態背對背轉接之模擬與量測的S-參數頻率響應 90 圖3. 17 使用SMA饋入的反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態背對背轉接結構圖 91 圖3. 18 使用SMA饋入的反對稱漸寬型錐形探針的共面波導至矩形波導TE20模態背對背轉接之模擬與量測的S-參數頻率響應 91 圖3. 19 使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態轉接之3D結構圖 93 圖3. 20 使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態轉接之平面電路圖 93 圖3. 21 反對稱音叉結構之3D結構圖 95 圖3. 22 反對稱音叉結構之平面電路圖 95 圖3. 23 變化L2對反對稱音叉末端阻抗之影響 97 圖3. 24 變化L4對反對稱音叉末端阻抗之影響 97 圖3. 25 變化W2對反對稱音叉末端阻抗之影響 98 圖3. 26 變化W2對使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態轉接輸入阻抗之影響 99 圖3. 27 使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態轉接的S-參數頻率響應 100 圖3. 28 使用反對稱音叉的微帶線至矩形波導TE20模態背對背轉接之實作圖 101 圖3. 29 使用末端反對稱音叉型的微帶線至矩形波導TE20模態背對背轉接之S-參數頻率響應 102 圖3. 30 使用SMA饋入的末端反對稱音叉型的微帶線至矩形波導TE20模態背對背轉接結構圖 102 圖3. 31 使用SMA饋入的末端反對稱音叉型的微帶線至矩形波導TE20模態背對背轉接之S-參數頻率響應 103 圖II. I 末端觸角型天線等效電路圖。(a) 結構圖。(b) 等效電路 113 圖II. II 末端觸角型天線史密斯圖(尺寸為表2. 1) 114 圖II. III 正規化的末端觸角型天線等效電路圖。(a) 結構圖。(b) 等效電路圖 115 圖II. IV 共面波導至矩形波導轉接電路末端觸角型天線阻抗與整體轉接輸入阻抗示意圖 116 圖III. I 使用ABCD矩陣終端阻抗運算流程圖。(a) 相移器示意圖。(b) 從相移器取出的S-參數。(c) ABCD矩陣。 117 圖IV. I 使用Agilent ADS 串接兩個單一轉接模仿背對背轉接結構圖 123 圖IV. II 使用Agilent ADS 串接兩個單一轉接模仿背對背轉接示意圖 123 圖IV. III 單一轉接使用兩個空橋(背對背四個)時比較圖IV. I與HFSS背對背轉接模擬數據的S-參數 124 圖IV. IV 180°相移器結合末端觸角型天線的共面波導至矩形波導背對背轉接示意圖 124 圖IV. V 單一轉接使用三個空橋(背對背六個)時比較圖IV. I與HFSS背對背轉接模擬數據(圖2. 30)的S-參數 125 圖VI. I 使用Agilent ADS讀取S3P檔 128 圖VI. II 使用Agilent ADS讀取S3P檔與圖3. 7的S-參數比較 129 圖VI.III 使用Agilent ADS讀取S3P檔終端耦合槽線模態 129 圖VII. I矩形波導TE10半波長的短路波導 130

    [1] G. E. Ponchak and R. N. Simons, "A new rectangular waveguide to coplanar waveguide transition," in IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig., vol. 1. Dallas, TX, USA, May 1990, pp. 491-492. .
    [2] R. Shireen, S. Shi, P. Yao, C. A. Schuetz, J. Macario, and D. W. Prather, "CPW to Rectangular Waveguide Transition on an LiNbO3 Substrate," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 57, no. 6, pp. 1494-1499, Jun. 2009.
    [3] R.-Y. Fang, C.-T. Wang, and C.-L. Wang, "A direct CPW-to-rectangular waveguide transition using a dipole slot antenna," in Proc. 39th Eur. Microw. Conf., Rome, Italy, Sep. 2009, pp. 157-160.
    [4] Y. Dong, T. K. Johansen, V. Zhurbenko, and P. J. Hanberg, "Rectangular waveguide-to-coplanar waveguide transitions at U-band using e-plane probe and wire bonding," in Proc. 46th Eur. Microw. Conf., London, UK, Oct. 2016, pp. 5-8.
    [5] V. S. Möttönen, "Wideband coplanar waveguide-to-rectangular waveguide transition using fin-line taper," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 15, no. 2, pp. 119-121, Feb. 2005.
    [6] T.-H. Lin and R.-B. Wu, "CPW to waveguide transition with tapered slotline probe," IEEE Microw. Wireless Compon. Lett., vol. 11, no. 7, pp. 314-316, Jul. 2001.
    [7] V. S. Möttönen and A. V. Raisanen, "Novel wide-band coplanar waveguide-to-rectangular waveguide transition," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 52, no. 8, pp. 1836-1842, Aug. 2004.
    [8] R.-Y. Fang and C.-L. Wang, "Miniaturized coplanar waveguide to rectangular waveguide transition using inductance-compensated slotline," IEEE Trans. Compon., Packag., Manuf. Technol., vol. 2, no. 10, pp. 1666-1671, Oct. 2012.
    [9] S.-H. Wang, C.-C. Chang, Y.-C. Lee, and C.-L. Wang, "Compact and Broadband CPW-to-RWG Transition Using Stub Resonators," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 64, no. 10, pp. 3198-3207, Oct. 2016.
    [10] Q. Zhang, C.-W. Yuan, and L. Liu, "Theoretical Design and Analysis for TE20-TE10 Rectangular Waveguide Mode Converters," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 60, no. 4, pp. 1018-1026, Apr. 2012.
    [11] G. Liu, Y. Wang, Y. Pu, J. Wang, R. Yan, Y. Luo, et al., "A Millimeter Wave High-Order TE13 Mode Converter," IEEE Trans. Electron Devices, vol. 63, no. 7, pp. 2907-2911, Jul 2016.
    [12] G. Liu, Y. Wang, Y. Pu, and Y. Luo, "Design and Microwave Measurement of a Novel Compact TE0n/TE1n'-Mode Converter," IEEE Trans. Microw. Theory Techn., vol. 64, no. 12, pp. 4108-4116, Dec. 2016.
    [13] R. Martinez, M. Belaid, Z. Ouardirhi, J. J. Laurin, and W. Ke, "Concept of a quasi-optic power amplifier utilising a new converter of mode TE10 to TE20," in CCECE 2003 - Canadian Conference on Electrical and Computer Engineering. Toward a Caring and Humane Technology (Cat. No.03CH37436), May 2003, pp. 565-568 vol.1.

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