W波段反對稱漸變探針過渡轉換的設計

嚴琳

（電子科技大學 物理電子學院，四川 成都 610054）

隨著毫米波技術在軍事領域中發揮出的巨大優勢，以及其在民用方面所具備的廣闊應用前景，使得成本低、體積小、可靠性高和便于大規模制作的毫米波單片集成電路（MMIC）得到了廣泛地應用。微帶線是毫米波集成電路中的一種十分重要的傳輸形式，MMIC單片之間主要采用微帶線相連接。然而，目前毫米波集成系統之間的連接和毫米波測量系統仍主要采用金屬波導結構。因此，尋求一種低成本、低損耗和易制造的寬帶矩形波導到微帶過渡對毫米波技術的應用具有重要的意義。

目前常用的幾種波導—微帶轉換結構有：波導—脊波導—微帶過渡[1]、波導—對極鰭線—微帶過渡[2]、波導—探針—微帶過渡[3-4]。這些結構在一定范圍內都可以實現較寬的帶寬。但是脊波導過渡加工復雜，損耗較大；對脊鰭線過渡要產生一系列的諧振模式，如果某一諧振頻率正好落入與其相連的器件的工作帶寬，就可能使其對器件產生耦合，從而影響器件的性能；耦合探針結構因波導出口方向與電路垂直，使其不滿足很多系統需要。為了進一步提高這些過渡結構的性能，研究者們提出了一些新穎的結構，在一定帶寬范圍內實現了較好的插入損耗和回波損耗，但不易加工。

文中采用了結構簡單和加工方便的反對稱漸變探針結構，使用三維電磁仿真軟件HFSS進行了仿真，在W波段全波導帶寬內實現了插入損耗小于0.088 dB，回波損耗大于27 dB。

1 基本原理

圖1為此設計在HFSS中的結構視圖。該結構主要包含3部分：微帶線、矩形金屬波導和反對稱漸變探針。探針過渡是利用一段起耦合作用的微帶線將波導中的電磁場耦合到微帶線中去，實現毫米波信號在波導與微帶線中的相互傳輸。矩形波導中電磁波傳輸的主模為TE10模，其波阻抗定義為：

根據這一特性阻抗的定義計算可知，其阻抗值比50 Ω標準微帶線要高很多，為了保證兩者之間的良好匹配，必須在矩形波導和微帶線之間采用阻抗變換，把波導的等效阻抗逐步降低為微帶線的特性阻抗。此外，阻抗變換過程越平緩，插損就越小，傳輸性能就越好。在此結構中，反對稱漸變曲線采用HFSS仿真軟件中的Spline曲線 （通過選取節點個數和位置的不同模擬曲線曲率）來進行設計。文中選取了5個節點以確定其曲率，通過改變節點的位置對曲線進行優化。選用Spline曲線設計，不僅可以在很大程度上提高反對稱漸變段的過渡性能，而且便于設計，縮短設計時間。

圖1 利用反對稱漸變探針構成的波導微帶過渡結構視圖Fig.1 Structure of waveguide to microstrip using antisymmetric probes

2 電路設計

文中采用WR-10（2.54 mm×1.27 mm）矩形波導，過渡到50 Ω標準微帶線（寬度為0.38 mm），微帶線和反對稱漸變探針制作在Rogers RT/Duroid5880軟基片上，介質基片厚度為0.127 mm，相對介電常數εr=2.22。實際使用過程中常在微帶電路四周用金屬腔屏蔽，以減少輻射損耗和機械損耗。此仿真中金屬腔設為理想導體，尺寸為1.27 mm×1.27 mm，介質基片由波導寬邊的中間位置插入，使反對稱漸變探針置于波導的E面。

圖2 微帶波導探針過渡的俯視圖Fig.2 Top view of microstrip to waveguide probe transition

在此設計中，整個反對稱漸變探針起阻抗變換的作用，又因其在波導腔內完成，故減小了設計電路的尺寸。從圖3中可以看出，反對稱漸變過渡結構最后把波導的高阻抗變換到接近標準微帶線的50 Ω。從圖4可以觀察出，反對稱漸變探針將微帶中Z極化方向的電場轉變為矩形波導中TE模式的Y極化方向電場。

圖3 反對稱漸變過渡到微帶線端口阻抗Fig.3 Port impedance of using the antisymmetric probes

圖4 反對稱漸變過渡的場分布圖Fig.4 Field distribution of using the antisymmetric probes

3 仿真分析和結果

為了得出適用于工程應用的參考數據，消除不必要的重復設計，文中通過高頻仿真軟件HFSS對結構的敏感尺寸進行了仿真和優化，總結出這些參數變化對過渡性能的影響，以得出便于實際工程應用。表1給出了結構的主要參數和對應的尺寸。b0為反對稱漸變探針重合部分的長度，b3為反對稱漸變探針開始端的寬帶，d為反對稱漸變探針末端到矩形波導壁的距離。在仿真優化中，b0、b3和d是優化的關鍵參數。

表1 微帶波導探針過渡結構的主要參數（單位：mm）Tab.1 Main parameters of microstrip to waveguide probe transition（units:mm）

圖5為調節b0時，W波段所對應的插入損耗和回波損耗。這部分結構是能量開始比較集中的地方，所以是調節的關鍵參數。仿真過程中，可設置其初值為四分之一波長，再根據效果做進一步的調節。

圖6和圖7是調節d和b3的尺寸所對應的插入損耗和回波損耗在W波段內的曲線。b3的尺寸應與微帶的寬度相差不大，以盡量減少因微帶線與反對稱漸變探針連接部分尺寸突變帶來的影響。d的尺寸如果過小，則會影響場分布。在仿真優化時，可以先大致確定b0和b3的值，再調節d的值以快速達到最佳的效果。

由圖 5、6和 7可知，當 b0=0.6 mm，d=0.15 mm，b3=0.33 mm時可得到比較好的場耦合，且在尺寸變化不大的范圍內仍可以取得較好的效果，故降低了加工的精度。在設計中，較大尺寸的過渡結構可以保證良好的過渡性能，但設計人員都希望過渡段越短越好，另一方面尺寸過短又會使回波損耗顯著增加，所以選擇一個合理的過渡長度，對過渡特性有很重要的影響，此結構中最后優化的b1=0.88 mm。綜合以上幾種參數的掃描結果分析，再結合表1所給尺寸可得仿真結果如圖8。在W波段全波導帶寬內，插入損耗小于0.088 dB，回波損耗大于27 dB。在中心頻率處，插入損耗為0.073 dB，回波損耗為39.2 dB。圖中虛線為插入損耗，實線為回波損耗。

圖5 不同的b0值所對應的S參數曲線Fig.5 Simulated S-parameters of different b0

圖6 不同的d值所對應的S參數曲線Fig.6 Simulated S-parameters of different d

圖7 不同的b3值所對應的S參數曲線Fig.7 Simulated S-parameters of different b3

4 結 論

圖8 插入損耗和回波損耗的仿真結果Fig.8 Simulated insertion and return losses

文中設計了一種中心頻率為94 GHz的波導-微帶探針過渡結構并采用HFSS對其進行了仿真和優化。從仿真結果分析可知，該過渡設計具有頻帶寬，插入損耗小，回波損耗大，結構簡單和加工容易的特性，又因整個阻抗變換部分都在波導腔內完成，使其具有結構緊湊的特性，故該結構在毫米波段的應用前景非常廣闊。

[1]Moochalla S S，An C.Ridge waveguide used in microstrip transition[J].Microwaves RF，1984（3）:149-153.

[2]Lavedan L J.Design of waveguide-to-microstrip transition specially suited to millimeter-wave applications[J].Electronics Letters，1997（13）：604-605.

[3]Ho T Q，Shih Y C.Spectral-domain analysis of E-plane waveguide to microstrip transitions[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，1989（37）：388-392.

[4]Shih Y C， Ton T N， Bui L Q.Waveguide-to-microstrip transitions for millimeter-wave applications[J].IEEE MTT-S Int.Microwave Symposium Digest，1988（2）：473-475.

[5]Kaneda N，Qian Y，Itoh T.A broadband microstrip-towaveguide transition usingquasi-Yagiantenna[J].IEEE Trans.Microwave Theory Tech.，1999（47）：2562-2567.

[6]LIN Ting-huei，WU Ruey-Beei.A Broadband Microstrip-to-Waveguide Transition with Tapered CPS Probe[C]//Proc.32nd Eur.Microwave Conf.，2002：1-4.

[7]Wu P， Wang Z， Zhang Y，et al.Wideband waveguide to microstrip probe transition with LTCC technology[J].Electronics Letters，2011（47）：43-44.