一種新型Ku波段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

王 敏， 嚴(yán)繼軍， 商遠(yuǎn)波， 王月娟

（上海無線電設(shè)備研究所，上海200090）

0 引 言

眾所周知，波導(dǎo)傳輸線和波導(dǎo)天線具有損耗低、穩(wěn)定性好且結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)［1］，在各種導(dǎo)引頭、雷達(dá)、通訊、電子對抗等系統(tǒng)領(lǐng)域中已得到了充分利用。微帶傳輸線或者微帶天線具有剖面低、易共形等優(yōu)點(diǎn)［2］，隨著近年來微波集成電路的發(fā)展［3-6］，微帶線也是現(xiàn)代通信系統(tǒng)必不可少的器件。

為了最大化的發(fā)揮波導(dǎo)和微帶的優(yōu)勢，必將同時(shí)使用兩種方式的傳輸線，因此在未來的通信系統(tǒng)中，波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)接器必將是最重要的一種無源轉(zhuǎn)接過渡，又是各系統(tǒng)的重要組成部分，它性能的好壞直接影響系統(tǒng)的性能，因此，如何減化和減小波導(dǎo)與微帶間的過渡是非常重要的一個(gè)課題。

本文分析了Ku 波段波導(dǎo)-微帶探針轉(zhuǎn)接的微波特性，設(shè)計(jì)了一種新型Ku波段波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器，并用Ansoft hfss軟件對它進(jìn)行仿真分析和驗(yàn)證。

1 理論設(shè)計(jì)

1.1 微帶線的阻抗特性

微帶線是目前混合微波集成電路（HMIC）和單片微波集成電路（MMIC）使用最多的一種平面型傳輸線，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 微帶線結(jié)構(gòu)圖

線寬為W，微帶板厚度為h，傳輸主模式為準(zhǔn)TEM 模式（一種混合的TE-TM 波場），電場結(jié)構(gòu)圖如圖2所示［3］。

圖2 微帶線電場圖

本文采用的微帶板為Rogers RT／duroid 5 880tm，板厚h＝1mm，介電常數(shù)為2.2。微帶線特性阻抗為50Ω，微帶線寬度為3.29mm。

1.2 波導(dǎo)的阻抗特性

矩形波導(dǎo)是截面形狀為矩形的金屬波導(dǎo)管，其傳輸主模式為TE10模式，當(dāng)波導(dǎo)傳輸TE10模時(shí)，波導(dǎo)內(nèi)的電磁場有由下式表示：

其中：

式中：z表示波導(dǎo)軸線方向；λg表示波導(dǎo)內(nèi)波長；t表示波導(dǎo)橫向方向，即x-y 平面。

波導(dǎo)波阻抗公式表示為

式中：η為空氣波阻抗；λ為空氣中的波長；a為波導(dǎo)寬邊長度。

1.3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

波導(dǎo)-探針-微帶過渡常用的實(shí)現(xiàn)方法有兩種［7-9］，如圖3所示。這兩種方案尺寸較大，特別是在空間非常有限的彈載或星載系統(tǒng)中，往往不能接受。

圖3 兩種微帶-波導(dǎo)轉(zhuǎn)換方法

本文提出的矩形波導(dǎo)-微帶過渡轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖4所示。圖中，整個(gè)過渡段由三個(gè)區(qū)域部分組成：

a）1 區(qū)為特性阻抗為50Ω 的標(biāo)準(zhǔn)微帶線及終端貼片；

b）2 區(qū)為部分加載的寄生貼片；

c）3 區(qū)為矩形波導(dǎo)區(qū)。

三個(gè)區(qū)域可完成將矩形波導(dǎo)中TE10主模的電場與磁場轉(zhuǎn)變?yōu)槲Ь€中準(zhǔn)TEM 模電磁場，通過調(diào)整微帶終端貼片的長度p1、寬度pw，以及加載的寄生貼片的長度L1、寬度L2等結(jié)構(gòu)尺寸，可使電磁波通過該過渡時(shí)，獲得較高的轉(zhuǎn)換效率，以及插入損耗較小的特性。

為獲得整個(gè)過渡電路良好的駐波特性，通過調(diào)整寄生貼片的縫隙長度sl1和縫隙寬度sw1以及終端貼片縫隙深度sl等結(jié)構(gòu)尺寸，完成矩形波導(dǎo)接口的阻抗匹配功能。

波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器立體圖、平面結(jié)構(gòu)圖和具體尺寸圖如圖4-6所示，本文所有的的波導(dǎo)尺寸為a＝12mm，b＝3 mm，微帶線特性阻抗為50Ω，微帶板 選 用Rogers RT／duroid 5 880tm，厚 度1mm，εr＝2.2，通過調(diào)節(jié)sw1和sl1兩個(gè)尺寸可以優(yōu)化駐波系數(shù)，對設(shè)計(jì)非常有利。

圖4 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器立體圖

圖5 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器平面結(jié)構(gòu)圖

圖6 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器貼片和微帶線尺寸圖

2 設(shè)計(jì)結(jié)果

通過對一個(gè)Ku波段同軸轉(zhuǎn)波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的尺寸設(shè)計(jì)，具體尺寸為

通過優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過Ansoft hfss軟件仿真結(jié)果如圖7所示，可見回波損耗小于-15dB 的帶寬大于1.5G，傳輸損耗0.5dB。

圖7 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器仿真結(jié)果

圖8為電場分布圖，可以看出通過該耦合結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了波導(dǎo)的TE10模式與微帶線的準(zhǔn)TEM模式的轉(zhuǎn)換，達(dá)到了良好傳輸性能和阻抗性能。

圖8 波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)接器電場分布圖

3 結(jié)論

本文論述了一種新型波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方法，從研制的Ku波段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器結(jié)果來看，具有低損耗性能和良好的駐波性能，說明本文所述的設(shè)計(jì)方法具有一定的應(yīng)用價(jià)值并且其結(jié)構(gòu)簡單，易于加工，具有一定的實(shí)用價(jià)值。該新型結(jié)構(gòu)并對微波系統(tǒng)和天線系統(tǒng)的開發(fā)與應(yīng)用具有重要的參考價(jià)值。

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