H面波導到微帶過渡結構設計＊

蘭云鵬 吳景峰 王抗旱

（河北半導體研究所 石家莊 050051）

1 引言

波導由于其損耗小，功率容量大，Q值高等優點［1］，在毫米波測試和傳輸系統中得到廣泛應用，而在毫米波電路中，波導的立體結構不便于集成，所以必須先過渡到平面傳輸線中。微帶線作為最主要的平面傳輸線，具有結構簡單、加工方便、易集成［2］等優點。因此波導與微帶線之間的低插損過渡成為重點關注的問題。

波導－微帶過渡結構多樣，常見的過渡結構有：耦合探針過渡［3］、脊波導過渡［4］、對脊鰭線過渡［5］等。其中耦合探針過渡分為：電場耦合和磁場耦合。電場耦合采用的是在波導寬邊插入E面探針的結構方式［6～7］。磁場耦合過渡目前國內少見報道，電子科技大學徐軍教授等人在2010年提出了一種磁耦合的波導－微帶轉換結構［8］，該結構先利用偏心同軸線將微帶中傳播的準TEM模轉化為TEM模，然后通過末端接地的半圓環金屬條帶在波導中激起TE10模，完成從微帶到波導的過渡。本文在此提出另一種H面磁耦合波導－微帶過渡結構。

2 結構

過渡結構如圖1所示，探針從波導窄邊開口處伸入波導體內，探針的接地點位于波導寬邊中心，與印制在微帶基板上的接地框相連。短路面位于探針上方。約束腔接于波導窄邊開口處，截面尺寸與開口一致。

圖1 波導－微帶轉換結構

在此過渡結構中，為了減小插損和回波損耗，在微帶與探針之間設計一節高阻線進行阻抗匹配。

3 原理分析

如圖1中，探針與接地框形成電流環路，當有高頻的電流經過時，交變電流在環路中產生交變磁場，交變磁場在波導中產生交變電場，從而激起電磁波［9］。波導中激勵起的電場和磁場分別滿足麥克斯韋方程［10］：

假設波導內部探針表面電流密度J，波導腔中將激勵起沿＋z和－z方向傳播的TEmn波和TMmn波，總場E和H分別表示為

其中⊥表示橫向分量，z表示縱向分量。

由于BJ320標準波導是按照單模設計，因此導中傳播的只有主模TE10，其它高次模在波導中均截止。

對于TE10波，只存在沿z方向的磁場，z方向的電場為零，即Eiz＝0。因此沿＋z方向傳播的TE10波的電磁場分部可以表示為

其中，kc為截止波數，與導行系統的截面形狀、尺寸等物理特征相關。沿－z方向傳播的TE10波只需把kzi換為－kzi即可。

由沿＋z方向傳播的模式i振幅A＋i表示為

S為＋z方向傳播的電磁波通過的截面積，同理將上式中A和E的上標“＋”改為“－”、“－”改為“＋”即可得出沿－z方向傳播的電磁波振幅A－i。將式（5）～式（12）代入式（3）、式（4）中即得到激勵起的電磁場E和H。

4 仿真及優化

本設計采用Ansoft公司的HFSS三維電磁仿真軟件建模，并且對影響過渡性能的參數進行優化。

圖2 HFSS仿真模型

模型采用BJ320標準波導，微帶線基板Rogers 5880，介電常數2.2，厚度0.254mm，導體銅厚度17μm。模型如圖2所示，在HFSS軟件中，波導表面為理想界面，微帶線空氣腔部分設置為輻射面，以避免發生振蕩影響仿真結果；約束腔的長度在尺寸允許的情況下足夠長，使產生的高次模盡量衰減。

波導開口位置和大小、約束腔長度、短路面高度等受結構限制，因此首先要確定這三個參量。根據指標要求和參數掃描結果確定為：開孔大小2.6mm×0.83mm，短路面高度2.86mm，約束腔長度3.18mm。

圖3 仿真結果

仿真結果如圖3所示，整個Ka頻段內，回波損耗S11＜－12dB，插損S21≥－0.3dB，其中30～38GHz范圍內S11≤－20dB。從上結果看，30GHz以下和38GHz以上回波損耗不甚理想，還需要進一步優化并展寬頻帶。

為展寬帶寬，有兩種方法可供選折：一是將探針偏離中心位置，二是在探針側面設計一諧振片，如圖4所示。本設計選用第二種方法，經優化諧振片位置和大小、探針插入深度、探針寬度等參數得到如圖5所示結果，在整個Ka頻段內，插損S21≥－0.3dB，回波損耗S11≤－20dB，滿足設計要求。

圖4 增加諧振片模型

圖5 增加諧振片仿真結果

5 測試結果及分析

為了驗證上述仿真結果，制作一對背靠背實物，如圖6所示，測試架采用普通鋁質，表面拋光白色導電氧化。

測試架由盒體、方形壓框、短路面三部分組成。盒體正面為一腔體，用于安裝電路基板，背面為標準BJ320波導接口。壓框將電路基板固定在腔體波導口處，壓框內方形孔與波導尺寸一致，側壁開口大小2.6mm×0.83mm，側壁厚度3.18mm，壓框與基板接觸部分即圖1中的接地框。短路面扣在壓框上，短路面與基板距離即前面確定的2.86mm，最后用螺釘將壓框和短路面固定于盒體上。

圖6 波導－微帶轉換結構實物

圖7 測試框圖

圖8 測試結果

測試使用矢量網絡分析儀Aglient E8363B，測試框圖如圖7所示，為了測試方便添加兩個波導－同軸轉換。測試結果如圖8所示：Ka波段高端測試結果不理想，這是因為受加工精度限制，波導內壁平整度不夠，從而引起較大損耗；在26GHz～37GHz范圍內，插損小于2.0dB，回波損耗大于7dB，其中30GHz～36GHz頻段內插損小于1.7dB，回波損耗大于16dB，如果扣除兩個波導－同軸轉換帶來的附加誤差0.2dB，這得到在帶寬為6GHz的窄帶內插損小于1.5dB，回波損耗大于16dB。

對比圖5和圖8，實物測試插損和駐波均比仿真結果差，造成這種差別的原因除了波導腔體表面并非理想導電面外，還有盒體加工精度、裝配誤差等因素。

6 結語

本文提出了一種新的H面磁耦合波導到微帶過渡結構，該結構從波導短邊垂直插入耦合探針，加工樣件測試在30GHz～36GHz頻率范圍內插損小于1.5dB，回波損耗大于16dB。該結構具有節省電路面積，插損小，頻帶寬，易實現等優點，為微波毫米波電路系統的設計提供了一種可選方案。

［1］蒲大雁，李曉輝，徐軍.一種基于磁耦合原理的毫米波矩形波導－微帶過渡［J］.微波學報，2010，26（6）：81－84.

［2］趙春暉，楊莘元.現代微波技術基礎［M］.第二版.哈爾濱：哈爾濱工程大學出版社，1999：78－82.

［3］朱大紅，齊鋒.Ka波段波導－微帶轉接器的設計［J］.微波學報，2008，24（增刊）：141－143.

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［6］魏振華，田立松，馮旭東.8～18GHz同軸－波導轉換器的分析與設計［J］.微波學報，2008，24（增刊）：125－128.

［7］李軍，方建洪，馮皓.E面波導3dB耦合器的設計［J］.真空電子技術，2011（2）：40－42.

［8］Jun Xu，Tao Ye，Da Yan Pu.A Rectangular Waveguide－Microstrip Transition Based on the Principle of Magnetic Coupling for Millimeter－wave［C］／／Microwave Technology and Computational Electromagnetics，2009：225－227.

［9］王家禮，朱滿座，路宏敏.電磁場與電磁波［M］.西安：西安電子科技大學出版社，2000：119－145.

［10］David M.Pozar.微波工程［M］.第三版.張肇儀，譯.北京：電子工業出版社，2009：4－14.