Ku頻段波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的設(shè)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(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的設(shè)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(shù)的發(fā)展，往往要求能量在不同的介質(zhì)中進行傳輸。而且微帶線正逐步取代金屬波導(dǎo)，成為微波電路小型化的重要部分。就目前而言，波導(dǎo)微帶過渡主要有脊波導(dǎo)、過渡鰭線、微帶探針等幾種形式。脊波導(dǎo)與微帶的連接通常采用硬壓力接觸，這就導(dǎo)致其性能與壓力接觸相關(guān)，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(chǎn)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(yīng)用較為廣泛的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的方式之一，它具有插入損耗低，回波損耗小，頻帶寬，結(jié)構(gòu)緊湊和易于加工裝配等優(yōu)點。

1　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)

探針型波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換有兩種結(jié)構(gòu)形式，一是微帶探針與波導(dǎo)窄壁垂直，一是微帶探針與波導(dǎo)窄壁平行，微帶探針從波導(dǎo)的寬邊插入波導(dǎo)，從而形成電探針的形式。波導(dǎo)微帶的轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的基本理論

微帶線插入波導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)入射時產(chǎn)生的激勵電流也將激勵起同樣的波導(dǎo)模。根據(jù)波導(dǎo)的基本理論，TE10模是模的基模，同時，它也是矩形波導(dǎo)總的基模。在絕大多數(shù)的工程應(yīng)用中，我們選擇波導(dǎo)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(dǎo)的基模TE10模耦合最緊，微帶探針應(yīng)從波導(dǎo)寬邊中心插入，使其置于TE10模電場最大位置處。

圖1　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的兩種結(jié)構(gòu)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(dǎo)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(dǎo)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(guān)，在仿真過程中，通過調(diào)整這兩個參量，來調(diào)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(dǎo)的功率傳輸效果。因此，在實際的設(shè)計中，我們會在微帶探針和微帶傳輸線之間加一個可調(diào)電抗枝節(jié)，通過對該枝節(jié)的調(diào)整，來部分抵消jXin，從而改善波導(dǎo)微帶的阻抗特性。

3　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的仿真與設(shè)計

在了解了波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的基本結(jié)構(gòu)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(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換中，為了達到功率的最佳傳輸效果，在具體的設(shè)計時，有兩個方面需要考慮，一是電抗調(diào)諧高阻線；一是轉(zhuǎn)換部分的約束腔。由于微帶探針過渡產(chǎn)生附加電抗，如果不加以處理，那么就會對波導(dǎo)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(dǎo)短路面約1/4波長處，這樣可以保證微帶探針在波導(dǎo)內(nèi)處于最大電壓（電場最強）處。

單端波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的HFSS模型如圖2所示，該模型采用圖1（a）的結(jié)構(gòu)形式，即微帶探針與波導(dǎo)窄壁垂直。該波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的工作頻率為Ku頻段，波導(dǎo)采用標準的矩形波導(dǎo)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(jīng)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(dǎo)微帶過渡的HFSS模型

圖3　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)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(dǎo)轉(zhuǎn)換HFSS模型的回波S11在工作頻段內(nèi)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(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)背靠背。其HFSS模型如圖4所示。從圖4可知，兩端是波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)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(jié)果產(chǎn)生很大的影響。經(jīng)過對腔體尺寸和其他參數(shù)的仿真優(yōu)化，兩端口波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的S參數(shù)仿真結(jié)果如圖5所示。

圖4　兩端口波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的HFSS模型

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

圖5　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的HFSS仿真結(jié)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(jié)構(gòu)廠家和PCB廠家進行加工。由于該波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的工作頻率是Ku頻段，結(jié)構(gòu)或者PCB的加工精度對測試結(jié)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)兩端的部分為WR75型波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換標準件。波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的回波測試如圖9所示，波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的差損測試如圖10所示。

圖6　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)實物圖

圖7　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換PCB實物

從實測結(jié)果來看，在Ku發(fā)射頻率范圍內(nèi)，回波在-18dB以下，系統(tǒng)總的差損小于1.1dB，通帶內(nèi)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(dǎo)同軸轉(zhuǎn)換測試件，兩個波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換端口，以及一段直通的微帶線。一般地，標準WR75波導(dǎo)同軸轉(zhuǎn)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(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的差損約為0.3dB，可以應(yīng)用在該頻段的上變頻器電路中。

圖8　波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)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(dǎo)微帶轉(zhuǎn)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(jié)果來看，回波損耗在-18dB以下，系統(tǒng)差損在1.1dB以下，帶內(nèi)平坦度小于0.1dB，經(jīng)過計算，單個波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換的差損約為0.3dB，符合當初設(shè)計的具體要求，該波

5　結(jié)語

［1］薛良金.毫米波技術(shù)基礎(chǔ).北京：國防工業(yè)出版社.

［2］柳維君.微波技術(shù)基礎(chǔ).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(shù)、衛(wèi)星通信技術(shù)和射頻技術(shù)等

2015-07-16

2015-09-20

利用HFSS仿真軟件，設(shè)計并加工一個用于Ku頻段的波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換器。該波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換采用探針平面與波導(dǎo)窄壁垂直的結(jié)構(gòu)。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(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換端口差損為0.3dB。

HFSS仿真；波導(dǎo)微帶轉(zhuǎn)換；Ku頻段

閆書保（1981-），男，河南人，研究生，從事領(lǐng)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.