一種新型的波導-雙帶狀線的等功分轉換器

黃 勇，玄曉波，周小林，劉 超

（上海無線電設備研究所 上海　200090）

一種新型的波導-雙帶狀線的等功分轉換器

黃 勇，玄曉波，周小林，劉 超

（上海無線電設備研究所 上海200090）

文中提出了一種新型的波導到雙帶狀線的過渡結構。通過多層印制板、反射腔、金屬化通孔形成的約束腔體和"L"型波導構成一個準封閉的電磁通道，實現從波導到雙帶狀線的過渡轉換。仿真結果表明，在9GHz到11．5GHz的頻率范圍內，該過渡結構的插入損耗小于3．4dB，駐波小于1．4，相對帶寬大于25%，且能實現從波導至雙帶狀線的等幅反相過渡轉換。

帶狀線；波導；探針-波導；過渡

隨著現代軍事裝備朝著小型化、集成化的方向發展，集成電路在通訊、雷達、制導等領域中的運用日益廣泛［1-2］。波導由于具有功率容量大、結構簡單、損耗小、Q值高等特點，在微波電路與信號系統中被廣泛使用。微帶傳輸線由于其體積小，重量輕、易加工、可集成等特點，在很多運用環境中正逐漸取代金屬波導，成為設計集成電路時一種重要的傳輸信號方式。為最大化地發揮波導和微帶的各自優勢，部分場合中同時使用兩種傳輸方式，故波導-微帶轉換器成為一種必不可少的過渡結構。波導-微帶轉換器作為一種無源轉換結構，其性能的好壞直接影響著系統的性能，因此，如何實現從波導到微帶線的低損耗轉換成了人們十分關心的重要課題。

關于微帶-波導過渡結構的文獻較多，主要的過渡方式有微帶-鰭線-波導過渡［3］、微帶-脊波導過渡［4-5］和微帶探針-波導過渡［6］。其中，僅有探針型過渡能實現從多層印制板中的帶狀線過渡至波導。由于需在探針與帶狀線間進行焊接，焊接質量的好壞對過渡結構的阻抗匹配影響較大，且需將部分印制板進行開槽處理，導致多層印制板壓和后易翹曲變形。另外，當傳輸的功率較大或長時間振動時，焊點的可靠性不易保證。

文中分析了微帶-波導探針轉換的微波傳輸特性，設計了一種新型的波導-雙帶狀線轉換器，通過該轉換器可以實現從波導到兩根帶狀線等幅反相的直接過渡，擯棄了焊接操作，且勿需對印制板進行開槽。

1　理論分析

波導-雙帶狀線過渡由同軸探針發展而來。同軸線的外導體與矩形波導的寬壁相連，通過一段起耦合作用的探針把波導中的電場耦合到微帶線上［7］，實現由TE10模到TEM模的轉換，如圖1（a）所示。深入波導的探針距離短路面的距離約為四分之一波長，以保證探針在波導中處于場強最強處。通過調節探針深入波導的長度和離短路面的距離，使得過渡結構達到最佳性能。將同軸線變形，外導體演變成多層印制板的底層，內導體演變成帶狀線，帶狀線具有一定寬度，通過調節帶狀線寬度、探入波導的長度和離短路面的距離實現阻抗匹配，如圖1（b）所示。將波導一分為二，即波導被印制板貫穿，如圖1（c）所示，實現波導與帶狀線間的轉換傳輸。若在此基礎上，將帶狀線沿波導窄邊方向對稱布置，即可實現波導至帶狀線的等幅反相功分，如圖1（d）所示。

圖1　波導-雙帶狀線過渡結構的演變圖示Fig．1　The evolution of waveguide-to-dual-stripline transition

2　結構設計與仿真分析

該過渡結構由反射腔、“L”型波導、印制板和填充材料組成，反射腔和“L”型波導正對地緊扣在印制板的上下兩面上，如圖2所示。印制板為5層印制板和4層半固化片壓合而成，上下表層為地層，中間含有一層地層和兩層信號層。反射腔的腔體具有一定深度，其腔體橫向截面尺寸與“L”型波導內壁尺寸相同，腔體上壁和側壁無開口。為實現波導的小損耗轉彎，在“L”型波導的轉角位置設計一個方形的調諧塊。印制板與金屬反射腔和“L”型波導的接觸區域內的所有地層均被腐蝕掉，以實現能量的上下傳遞。為減小電磁泄漏［8］，在印制板上下表面之間設計一系列環繞被腐蝕區域的等間距的金屬通孔。多層印制板、反射腔、印制板中的金屬化孔形成的約束腔體和“L”型波導形成了一個準封閉的電磁通道，電磁波經過多次反射后有效地朝著“L”型波導進行單向傳輸，將帶狀線中傳輸的準TEM模轉換成適宜波導傳輸的TE10模，實現從波導到帶狀線的過渡轉換。為了實現匹配調諧和減小反射腔的腔體深度，在反射腔和“L”型波導的縱向波導內填充了聚四氟乙烯，其尺寸與被填充區域等大。

圖2　波導-雙帶狀線過渡轉換器Fig．2　Configuration of the proposed Waveguide-todual-Stripline transition

由于波導和反射腔被印制板隔開和帶狀線探入了波導腔內，在波導被截斷處產生了電抗。為了避免過渡結構的阻抗失配，在兩相鄰帶狀線的上方添加一個寄生帶狀線，如圖2中的插圖所示，即通過在過渡區域引入寄生電容實現帶狀線和波導間的阻抗匹配。

基于以上設計，利用電磁仿真軟件HFSS對該結構進行了仿真和優化［9］。圖3為駐波仿真結果，駐波小于1．4的帶寬大于2．5 GHz，相對帶寬約為25%。圖4為該過渡轉換器的損耗仿真結果，從8．8 GHz到11．7 GHz的頻段內，波導分別到兩個對稱帶狀線的損耗均在3 dB左右，兩者最大相差約0．5 dB，說明從波導到兩帶狀線實現了等幅度的傳輸。在高頻段，損耗S13要比損耗S12大，這是由于“L”型波導的縱向部分相對于兩根帶狀線而言不對稱造成，即在“L”型波導拐角處有一個矩形調諧塊。

圖3　駐波仿真結果Fig．3　Simulation results of VSWR

圖4　損耗仿真結果Fig．4　Simulation results of insertion loss

圖5為該過渡轉換器的相位仿真結果，從8．8GHz到11．7GHz的頻段內，波導到兩個對稱帶狀線的相位差均約為180°，說明從波導到兩帶狀線的傳輸相位反向。

圖5　相位仿真結果Fig．5　Simulation results of transmission phase

該過渡結構可以運用到眾多場合，如微帶雙極化陣列天線，可以實現從多層印制板的輻射陣列到波導網絡的直接過渡，且能實現從一個波導口對兩個對稱子陣列進行等幅反相地饋電。

3　結　論

文中介紹了一種新型的波導到雙帶狀線的等功轉換器的過渡結構，并給出了詳細設計方法。通過多層印制板、反射腔、印制板中金屬化通孔形成的約束腔體和“L”型波導形成一個準封閉的電磁通道，實現從波導到帶狀線的過渡轉換。仿真結果表明，該過渡結構具有低損耗性能和超寬帶的低駐波特性，且能通過該結構實現從波導至兩帶狀線等幅反相的過渡轉換。

［1］于宗光，陳飚，謝杰．集成電路設計方法新進展［J］．電子與封裝，2008，8（7）:13-19．

［2］王毅．軍用混合集成電路的現狀［J］．電子元件與材料，1996， 15（2）:1-6．

［3］J．H．C．van Henven．A new integrated waveguide-microstrip transition［J］．IEEE Trans．Microwave Theory Tech，1976，24 （3）:144-147．

［4］Frank J．Villegas，D．Ian Stones，H．Alfred Hung．A novel waveguide-to-microstrip transition for millimeter-wave module application［J］．EEE MTT，1999，47（1）:48-55．

［5］吳秋生，延波，薛良金．Ka頻段脊波導過渡的仿真與工程運用［J］．紅外與微波學報，2002，21（2）:142-144．

［6］付驥，胡皓全．W波段波導-微帶探針過渡設計［J］．微波學報，2010，28（S1）:305-307．

［7］帥春江．基于Matlab微帶線靜電場分析［J］．電子設計工程，2011（21）:84-86．

［8］魯希團，劉少華，藏頻陽．某加固網絡交換機電磁幅射超標的分析與改進［J］．電子科技，2014（6）:75-77．

［9］王揚智，韋高．基于HFSS新型寬頻帶微帶天線仿真設計［J］．系統仿真黨報，2007（11）:2603-2606．

A novel waveguide-to-dual-stripline transition with equal power

HUANG Yong，XUAN Xiao-bo，ZHOU Xiao-lin，LIU Chao
（Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China）

In this paper，a novel waveguide-to-dual-stripline transition is proposed．The electric field in rectangular waveguide can be transmitter to a dual-stripline by a quasi-enclosed channel consists of multilayer Printed Circuit Board，a reflection cavity，a cavity made from a series of shorting via and an L-shaped waveguide．The simulated results show that the insertion loss less than 3．4dB，VSWR less than 1．4 in the range of 9-11．5GHz，the relative bandwidth is more than 25%．The electric field can transmit with equally amplitude and anti-phase，exhibits good consistency in both magnitude and phase between two output ports．

waveguide；stripline；probe-to-waveguide；transition

TN828

A

1674－6236（2016）02-0093-03

2015-03-28稿件編號：201503412

國家自然科學基金（61201116）

黃 勇（1982—），男，湖北巴東人，碩士研究生，工程師。研究方向：超寬帶與雙極化天線研究。