Широкополосный волноводно-микрополосковый переход для частотного диапазона 60 ГГЦ

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. 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. 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. 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. 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.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

Широкополосный волноводно-микрополосковый переход зондового типа миллиметрового диапазона длин волн

Introduction. Increased data rate in modern communication systems can be achieved by raising the operational frequency to millimeter wave range where wide transmission bands are available. In millimeter wave communication systems, the passive components of the antenna feeding system, which are based on hollow metal waveguides, and active elements of the radiofrequency circuit, which have an interface constructed on planar printed circuit boards (PCB) are interconnected using waveguide-to-microstrip transition.Aim. To design and investigate a high-performance wideband and low loss waveguide-to-microstrip transition dedicated to the 60 GHz frequency range applications that can provide effective transmission of signals between the active components of the radiofrequency circuit and the passive components of the antenna feeding systemMaterials and methods. Full-wave electromagnetic simulations in the CST Microwave Studio software were used to estimate the impact of the substrate material and metal foil on the characteristics of printed structures and to calculate the waveguide-to-microstrip transition characteristics. The results were confirmed via experimental investigation of fabricated wideband transition samples using a vector network analyzer Results. The probe-type transition consist of a PCB fixed between a standard WR-15 waveguide and a back-short with a simple structure and the same cross-section. The proposed transition also includes two through-holes on the PCB in the center of the transition area on either side of the probe. A significant part of the lossy PCB dielectric is removed from that area, thus providing wideband and low-loss performance of the transition without any additional matching elements. The design of the transition was adapted for implementation on the PCBs made of two popular dielectric materials RO4350B and RT/Duroid 5880. The results of full-wave simulation and experimental investigation of the designed waveguide to microstrip transition are presented. The transmission bandwidth for reflection coefficient S11 < –10 dB is in excess of 50…70 GHz. The measured insertion loss for a single transition is 0.4 and 0.7 dB relatively for transitions based on RO4350B and RT/Duroid 5880.Conclusion. The proposed method of insertion loss reduction in the waveguide-to-microstrip transition provides effective operation due to reduction of the dielectric substrate portion in the transition region for various high-frequency PCB materials. The designed waveguide-to -microstrip transition can be considered as an effective solution for interconnection between the waveguide and microstrip elements of the various millimeter-wave devices dedicated for the 60 GHz frequency range applications.Введение. Для увеличения скорости передачи данных в современных системах беспроводной радиосвязи необходимо существенное расширение полосы частот передаваемых сигналов, что возможно за счет увеличения рабочей частоты до миллиметрового диапазона. В системах радиосвязи миллиметрового диапазона соединение пассивных элементов антенно-фидерного тракта, реализованных на металлических волноводах, и активных элементов радиочастотного тракта, имеющих интерфейс на основе микрополосковых линий, осуществляется с помощью волноводно-микрополоскового перехода (ВМПП).Цель работы. Разработка и исследование широкополосного ВМПП для частотного диапазона 60 ГГц с низким уровнем потерь для эффективной передачи сигналов между активными элементами радиочастотного тракта и пассивными элементами антенного тракта.Материалы и методы. Оценка влияния материала подложки и свойств металлической фольги на характеристики печатных структур и расчет характеристик разработанного перехода выполнены с помощью электродинамического моделирования в системе автоматизированного проектирования CST Microwave Studio и подтверждены результатами экспериментального исследования изготовленных образцов широкополосного волноводно-микрополоскового перехода на векторном анализаторе цепей.Результаты. Разработанный ВМПП основан на использовании проводящего зонда, реализованного на печатной плате, закрепленной между стандартным подводящим волноводом WR15 и четвертьволновой заглушкой того же сечения. Для уменьшения потерь в переходе на печатной плате выполнены сквозные неметаллизированные отверстия, симметрично расположенные вокруг зонда для уменьшения доли диэлектрика печатной платы в волноводном канале. По результатам экспериментального исследования изготовленных макетов переходов, реализованных на печатных платах, выполненных из материалов RO4350B и RT/Duroid 5880 производства компании "Rogers", было получено, что переход согласован по уровню коэффициента отражения S11 <-10 дБ в полосе частот 50...70 ГГц и обеспечивает потери на прохождение не более 0.4 и 0.7 дБ для материалов RT/Duroid 5880 и RO4350B соответственно.Заключение. Предложенный метод снижения потерь в волноводно-микрополосковом переходе осуществляется за счет уменьшения влияния диэлектрической подложки при использовании различных СВЧ-материалов печатных плат. Это позволяет рассматривать разработанный волноводно-микрополосковый переход как перспективный для соединения различных микрополосковых и волноводных устройств миллиметрового диапазона длин волн

Design of Wideband Waveguide-to-Microstrip Transition for 60 GHz Frequency Band

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. 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. 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. 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. 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

Wideband Waveguide-to-Microstrip Transition for mm-Wave Applications

Introduction. Increased data rate in modern communication systems can be achieved by raising the operational frequency to millimeter wave range where wide transmission bands are available. In millimeter wave communication systems, the passive components of the antenna feeding system, which are based on hollow metal waveguides, and active elements of the radiofrequency circuit, which have an interface constructed on planar printed circuit boards (PCB) are interconnected using waveguide-to-microstrip transition.Aim. To design and investigate a high-performance wideband and low loss waveguide-to-microstrip transition dedicated to the 60 GHz frequency range applications that can provide effective transmission of signals between the active components of the radiofrequency circuit and the passive components of the antenna feeding systemMaterials and methods. Full-wave electromagnetic simulations in the CST Microwave Studio software were used to estimate the impact of the substrate material and metal foil on the characteristics of printed structures and to calculate the waveguide-to-microstrip transition characteristics. The results were confirmed via experimental investigation of fabricated wideband transition samples using a vector network analyzer Results. The probe-type transition consist of a PCB fixed between a standard WR-15 waveguide and a back-short with a simple structure and the same cross-section. The proposed transition also includes two through-holes on the PCB in the center of the transition area on either side of the probe. A significant part of the lossy PCB dielectric is removed from that area, thus providing wideband and low-loss performance of the transition without any additional matching elements. The design of the transition was adapted for implementation on the PCBs made of two popular dielectric materials RO4350B and RT/Duroid 5880. The results of full-wave simulation and experimental investigation of the designed waveguide to microstrip transition are presented. The transmission bandwidth for reflection coefficient S11 < –10 dB is in excess of 50…70 GHz. The measured insertion loss for a single transition is 0.4 and 0.7 dB relatively for transitions based on RO4350B and RT/Duroid 5880.Conclusion. The proposed method of insertion loss reduction in the waveguide-to-microstrip transition provides effective operation due to reduction of the dielectric substrate portion in the transition region for various high-frequency PCB materials. The designed waveguide-to -microstrip transition can be considered as an effective solution for interconnection between the waveguide and microstrip elements of the various millimeter-wave devices dedicated for the 60 GHz frequency range applications