Ku頻段波導微帶轉換的設計與分析

陳小忠，閆書保（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

Ku頻段波導微帶轉換的設計與分析

陳小忠，閆書保
（廣州海格通信集團股份有限公司，廣州 510663）

0　引言

隨著微波技術的發(fā)展，往往要求能量在不同的介質中進行傳輸。而且微帶線正逐步取代金屬波導，成為微波電路小型化的重要部分。就目前而言，波導微帶過渡主要有脊波導、過渡鰭線、微帶探針等幾種形式。脊波導與微帶的連接通常采用硬壓力接觸，這就導致其性能與壓力接觸相關，所以其可靠性較差。鰭線存在較多的電磁波模式，而且對其進行抑制較為困難，另外，鰭線在截至頻率時會產生一個純電抗特性的源阻抗或負載阻抗，使有源器件處于不穩(wěn)定區(qū)域，容易出現(xiàn)自激。微帶探針形式是目前應用較為廣泛的波導微帶轉換的方式之一，它具有插入損耗低，回波損耗小，頻帶寬，結構緊湊和易于加工裝配等優(yōu)點。

1　波導微帶轉換的基本結構

探針型波導微帶轉換有兩種結構形式，一是微帶探針與波導窄壁垂直，一是微帶探針與波導窄壁平行，微帶探針從波導的寬邊插入波導，從而形成電探針的形式。波導微帶的轉換結構如圖1所示。

2　波導微帶轉換的基本理論

微帶線插入波導腔體，形成探針激勵。任何一個沿微帶探針方向具有非零電場的波導模都將在微帶探針上激勵起電流。根據(jù)互易定理，當微帶線上的準TEM模向波導入射時產生的激勵電流也將激勵起同樣的波導模。根據(jù)波導的基本理論，TE10模是模的基模，同時，它也是矩形波導總的基模。在絕大多數(shù)的工程應用中，我們選擇波導的工作頻率和尺寸，使得其中只有基模，即TE10模。為了與矩形波導的基模TE10模耦合最緊，微帶探針應從波導寬邊中心插入，使其置于TE10模電場最大位置處。

圖1　波導微帶轉換的兩種結構形式

對于微帶探針而言，其末端的電流必須為零。一般地，探針的尺寸都很小，因此，對于細微帶探針而言，其上面的電流分布可以近似成正弦分布。那么，微帶探針上的電流分布形式如式（1）所示。

其中，D為微帶探針插入波導的深度。微帶線的輸入阻抗如式（2）所示。

式中，P為輻射到波導中的功率，Wm-We是由高次模激勵并存儲在探針附近的無功功率。通過計算輸入阻抗，得到探針的輻射阻抗如式（3）所示。

從公式（3）中可以看出，探針的輻射阻抗跟L（短路活塞的位置）和L（微帶探針的插入深度）有關，在仿真過程中，通過調整這兩個參量，來調諧微帶探針的特性阻抗。

從公式（2）可以看出，微帶線的阻抗中包含一個電抗部分jXin，它會影響微帶線到波導的功率傳輸效果。因此，在實際的設計中，我們會在微帶探針和微帶傳輸線之間加一個可調電抗枝節(jié)，通過對該枝節(jié)的調整，來部分抵消jXin，從而改善波導微帶的阻抗特性。

3　波導微帶轉換的仿真與設計

在了解了波導微帶轉換的基本結構和工作原理之后，本文利用HFSS仿真軟件對其進行建模仿真。在波導微帶轉換中，為了達到功率的最佳傳輸效果，在具體的設計時，有兩個方面需要考慮，一是電抗調諧高阻線；一是轉換部分的約束腔。由于微帶探針過渡產生附加電抗，如果不加以處理，那么就會對波導微帶過渡的性能有很大的影響。常用的方法是在探針后面串聯(lián)一段高阻線，用來抵消過渡探針的附加電抗，然后再利用1/4波長阻抗變換器，實現(xiàn)高阻線到50歐姆微帶傳輸線的阻抗匹配。

約束腔的主要作用是將傳輸?shù)哪芰考性谖Ь€上，并抑制高次模。約束腔的尺寸選擇要適當，一方面要保證對高次模的抑制，一方面又不能影響微帶線上的微帶場分布。微帶探針要放置在距離波導短路面約1/4波長處，這樣可以保證微帶探針在波導內處于最大電壓（電場最強）處。

單端波導微帶轉換的HFSS模型如圖2所示，該模型采用圖1（a）的結構形式，即微帶探針與波導窄壁垂直。該波導微帶轉換的工作頻率為Ku頻段，波導采用標準的矩形波導WR75，微帶基材采用CLTE-AT高頻板，厚度為0.508mm，εr=3.0。根據(jù)前面的理論分析，經過仿真與優(yōu)化，其S參數(shù)仿真曲線如圖3所示。

圖2　單端波導微帶過渡的HFSS模型

圖3　波導微帶轉換的HFSS仿真的回波及差損曲線

從圖3可以看出，該微帶—波導轉換HFSS模型的回波S11在工作頻段內小于-30dB，插損（S21）小于0.05dB。

為了方便對實物性能的測試，需要兩個同樣的波導微帶轉換結構背靠背。其HFSS模型如圖4所示。從圖4可知，兩端是波導微帶轉換，中間是腔體。在仿真過程中發(fā)現(xiàn)，腔體的尺寸會對仿真結果產生很大的影響。經過對腔體尺寸和其他參數(shù)的仿真優(yōu)化，兩端口波導微帶轉換的S參數(shù)仿真結果如圖5所示。

圖4　兩端口波導微帶轉換的HFSS模型

從圖5可以看出，在所需工作頻段內，回波在-30dB以下，差損小于0.3dB。

圖5　波導微帶轉換的HFSS仿真結果

4　實物測試與分析

在完成最終的仿真優(yōu)化之后，下一步就是依據(jù)仿真得到的尺寸，委托結構廠家和PCB廠家進行加工。由于該波導微帶轉換的工作頻率是Ku頻段，結構或者PCB的加工精度對測試結果有很大的影響，這從仿真優(yōu)化階段也可以體現(xiàn)出來。因此，在委外加工中，一定要對廠家的加工精度提出要求。

最終加工出來的結構實物如圖6所示，PCB實物如圖7所示，測試系統(tǒng)如圖8所示。在圖8中，結構兩端的部分為WR75型波導同軸轉換標準件。波導微帶轉換的回波測試如圖9所示，波導微帶轉換的差損測試如圖10所示。

圖6　波導微帶轉換結構實物圖

圖7　波導微帶轉換PCB實物

從實測結果來看，在Ku發(fā)射頻率范圍內，回波在-18dB以下，系統(tǒng)總的差損小于1.1dB，通帶內差損的波動約0.1dB，滿足實用的要求。系統(tǒng)總的差損包括兩個標準WR75波導同軸轉換測試件，兩個波導微帶轉換端口，以及一段直通的微帶線。一般地，標準WR75波導同軸轉換測試件的差損約為0.2dB，再除去直通微帶線約0.1dB的差損，那么，單個波導微帶轉換的差損約為0.3dB，可以應用在該頻段的上變頻器電路中。

圖8　波導微帶轉換系統(tǒng)測試圖

圖9　回波測試曲線

圖10　差損測試曲線

本文從理論上分析了波導微帶轉換的基本原理，并用HFSS軟件對其進行了仿真分析。從實際的測試結果來看，回波損耗在-18dB以下，系統(tǒng)差損在1.1dB以下，帶內平坦度小于0.1dB，經過計算，單個波導微帶轉換的差損約為0.3dB，符合當初設計的具體要求，該波

5　結語

［1］薛良金.毫米波技術基礎.北京：國防工業(yè)出版社.

［2］柳維君.微波技術基礎.成都：電子科技大學出版社.

［3］Yoke-Choy Leong and Sander Weaned.Full Band Waveguide-to-Microsrtip Probe Transitions，IEEE，1999.

［4］Kang Wook Kim，Chao-Ho Na，Dong-Sik Won.New Dielectric-Covered Waveguide-to-Microstrip Transitions for Ka-band Transceivers，IEEE，2003.

［5］張肇儀，周樂柱，吳明德等譯.微波工程（第三版）［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2006.

HFSS Simulation；Waveguide-Microstrip Converter；Ku Band

Design and Analysis of the Ku Band Waveguide-Microstrip Converter

CHEN Xiao-zhong，YAN Shu-bao
（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd，Guangzhou，510663）

1007-1423（2015）27-0058-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.016

陳小忠（1979-），男，四川人，本科，研究方向為微波毫米波技術、衛(wèi)星通信技術和射頻技術等

2015-07-16

2015-09-20

利用HFSS仿真軟件，設計并加工一個用于Ku頻段的波導微帶轉換器。該波導微帶轉換采用探針平面與波導窄壁垂直的結構。兩端口仿真回波小于-30dB，差損小于0.3dB，實際測試回波小于-18dB，單個波導微帶轉換端口差損為0.3dB。

HFSS仿真；波導微帶轉換；Ku頻段

閆書保（1981-），男，河南人，研究生，從事領域為功放和衛(wèi)星通信方面的研究工作

Designs and processes a waveguide-microstrip converter applied in Ku band by using HFSS software.The waveguide-microstrip converter adopts the probe plane and narrow waveguide wall vertical structure.Simulation of return loss small than-30dB，insert loss less than 0.3dB，actual test return loss is less than-18dB，single loss is 0.3dB.