基于基片集成波導的Ku波段波導微帶轉換結構

陳 偉，王海彬，文瑞虎，王中洋，李紅英

（機電動態控制重點實驗室，陜西 西安 710065）

0 引言

波導微帶轉換結構是一種重要的轉換結構，在微波領域有著十分廣泛的應用。傳統的波導轉微帶結構有波導／脊波導／微帶過度、波導／對鰭線／微帶過度、波導／微帶探針過度三種類型［1］。傳統轉換結構都是二端口器件，其中一端連接微帶，另一端與波導相連。針對傳統的波導轉微帶結構復雜，加工難度大，破壞波導中場結構的問題，本文提出了基于基片集成波導的波導微帶轉換結構。

1 傳統波導微帶轉換結構與基片集成波導結構

1.1 傳統的波導微帶轉換結構

傳統的波導轉微帶結構有三種：波導／脊波導／微帶過度、波導／對鰭線／微帶過度、波導／微帶探針過度［1］，都是二端口的轉換結構。

波導／脊波導／微帶過度是通過在波導腔體中加金屬脊，形成漸變的場強結構，使波導輸入的信號通過逐級耦合到微帶上［2－3］。波導／脊波導／微帶過度與波導傳輸方向一致，可以很方便地加入到電路中。波導／對鰭線／微帶過度通過在波導中設計鰭線實現波導到微帶的過度。原理與脊波導轉換類似，只是脊波導中轉換結構加工成金屬脊，而對鰭線中加工成鰭線。波導／微帶探針過度是在波導壁上開縫，將微帶過度結構當作探針插入到波導腔體中，實現波導到微帶的過度。一般有兩種方式：一種是微帶面與信號傳播方向平行，一種是與傳播方向垂直［4］。

波導／脊波導／微帶過度和波導／對鰭線／微帶過度波導和微帶傳播方向一致，這對器件連接很方便。但波導／脊波導／微帶過度加工復雜，而波導／對鰭線／微帶過度尺寸較大，損耗較大，在空間比較緊湊的地方很少使用［4］。波導／微帶探針過度較前兩種簡單，但微帶探針通過開槽插入波導之內，會在一定程度上破壞波導的場的特性［2］。

1.2 基片集成波導結構

基片集成波導（SI W）結構最早于1992年由一位日本學者提出，隨后在1997年有相關的文章報道這種結構，稱為柵格波導［3］。基片集成波導是一類新型的傳輸線結構。基片集成波導具有與傳統矩形波導相近的特性，如品質因素高、損耗低等，同時較傳統的波導更為緊湊，具有體積小、重量輕、易加工、易集成的優點［5－6］。

基片集成波導的結構如圖1所示：兩排金屬化通孔的中心間距為a，金屬化通孔的直徑和間距分別為d和p，介質基片的厚度和介電常數分別為h和ξr。電磁波在介質基片的上下金屬面和兩排金屬化通孔所圍成的矩形區域內以類似于介質填充矩形波導中的場模式傳輸，如圖2所示。

圖1 基片集成波導結構Fig.1 The str ucture of SI W

2 基片集成波導場分布圖Fig.2 Filed overlay of SI W

2 基片集成波導轉換結構

基片集成波導轉換結構如圖3所示。波導中的信號經過基片集成波導下表面的耦合口將信號耦合到基片集成波導中，之后通過上表面的微帶漸變阻抗匹配段，匹配到50Ω微帶線輸出，實現波導到微帶的轉換。

圖3 基片集成波導轉換結構Fig.3 The conversion str uct ure of SI W

基片集成波導轉換結構上下表面如圖4和圖5，其中的陰影部分是金屬。整個轉換結構上表面由基片集成波導、微帶匹配結構和50Ω微帶輸出三部分。其中微帶匹配采用了鍥型的結構將基片集成波導與微帶輸出相匹配。

圖4 基片集成波導轉換結構上表面結構Fig.4 The positive conversion str ucture of SI W

圖5 基片集成波導轉換結構下表面結構Fig.5 The negative conversion str ucture of SI W

轉換結構的下邊面的耦合口與波導相連，中間是一個輻射貼片。由于波導與基片集成波導電場傳播方向是相互垂直的，故需經過輻射貼片的作用，將波導中的信號耦合到基片集成波導中，實現轉換。整個轉換結構是左右對稱的，因此在微帶的兩個輸出端獲得的信號是原波導中信號的一半。此轉換結構兼有功分的作用，是三端口器件。

3 仿真及實測結果

3.1 基片集成波導轉換結構的仿真

本文設計了Ku波段波導－微帶線轉換器，利用全波仿真軟件HFSS對圖4和5中的結構參數進行了仿真優化。

介質板采用Rogers5880，介電常數為2.2，厚度為1 mm。波導采用BJ-140標準波導，整個轉換結構的中心頻率為12.3 GHz。HFSS仿真模型圖如圖6，仿真結果由圖7和圖8給出。

由圖7的S參數仿真結果可知 ，在11.5～12.5 GHz的頻帶內該系統的反射參數S11都低于－10 d B，在12.3處S11達到最優為－28 d B。傳輸參數S21小于－4 d B。由于微帶口輸出是原波導信號的一半，故S21理論上為－3 d B。S21與S31重合，說明兩個輸出口信號相等。且由圖中可見差損優于0.5 d B。由圖8中系統電壓反射參數（VSWR）可以看出，在11.5～12.5 GHz的頻帶內都低于2，滿足實際要求。

圖6 轉換結構HFSS仿真模型Fig.6 The conversion structure HFSS si mulation model

圖7 S參數仿真結果Fig.7 S-parameter simulation results

圖8 VSWR仿真結果Fig.8 VSWR si mulation results

3.2 基片集成波導轉換結構的實物測試

本文根據仿真的參數制作了基片集成波導轉換結構的實物并對其進行了測試如圖9。圖9的上部分為實物的正面和反面，下部分為實物測試的結構。其中基片集成波導直接粘在BJ-140直波導的法蘭盤上。轉換結構上表面焊接SMA接頭，測試中一端先接50Ω匹配負載，另一端輸出，其下表面連接了BJ-140的直波導，之后再接Ku波段波導同軸轉換接頭。

經過矢量網絡分析儀的測試，結果如圖10、圖11和圖12。

由圖10和11中的S參數可以看以看出，在11～12.5 GHz的頻段內S11＜－10 d B（圖10中參考點為－10 d B），在對應的頻帶內S21≥－5 d B（圖11中參考點為－5 d B），其中最小是－4 d B。電壓反射參數（VSWR）11～12.5 GHz的頻段內也小于2（圖12中參考點為2）。故仿真與測試結果基本一致，符合基片集成波導轉換結構的設計要求。

圖9 基片集成波導轉換結構實物Fig.9 The concrete conversion structure

圖10 反射參數S11實測結果Fig.10 The concrete reflecting parameter results

圖11 傳輸參數S21實測結果Fig.11 The concrete conversing parameter results

圖12 VSWR實測結果Fig.12 The concrete VSWR results

4 結論

本文提出了基于基片集成波導Ku波段波導微帶轉換結構。該結構利用耦合縫隙和貼片輻射技術，使通過背面饋入的波導信號經耦合進入基片集成波導，再通過微帶輸出。與傳統的二端口轉換結構不同，本文所設計的轉換結構是三端口的。實驗表明，這種轉換結構利用基片集成波導作為微波傳輸結構，工作于Ku波段，具有1 GHz工作帶寬。該轉換結構在較寬的工作頻段內差損優于0.5 d B，回波損耗大于20 d B，并且與微帶平面電路匹配良好，可以集成加工到平面電路中去，具有結構緊湊、性能優良和易于加工等優點，可以應用于微波集成電路的設計中。

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