橫向Ka波段波導微帶探針過渡的設計和優化

劉途遠

（電子科技大學 物理電子學院 國家863計劃強輻射實驗室，四川 成都 610054）

微帶線作為毫米波集成電路中一種十分重要的傳輸形式，隨著目前毫米波集成電路的不斷發展，微帶電路正在越來越多的場合取代金屬波導，成為制作微波毫米波元器件的重要傳輸線。雖然如此，目前大多數實驗設備都還是以標準矩形波導作為其輸入接口的。因此，集成微帶電路的性能檢測就必須通過具有寬帶特性的波導—微帶過渡裝置來實現。并且，很多時候為了便于建立獨立微帶電路之間的連接，常常還需要電路從微帶電路輸入輸出端口通過轉換結構過渡到矩形波導。此外，在需要將信號傳輸一段距離時，也必須將電路從微帶轉換至矩形波導，以降低傳輸的損耗。因此，如何實現波導與微帶線的轉換就成了人們日益關注的課題[1]。

通常，對波導—微帶過渡結構有以下幾個基本的要求[2]：

1）傳輸損耗要低，回波損耗要高，而且應具有足夠的頻帶寬度。

2）裝卸容易，并且有良好的重復性和一致性。

3）轉換結構要與電路協調設計，并且要便于加工制作。

目前最常見的波導-微帶過渡結構主要有波導-脊波導-微帶過渡、波導-探針-微帶過渡、波導-對極鰭線-微帶過渡等。

其中，波導-探針-微帶過渡是目前應用得最為廣泛的波導-微帶過渡形式，這種結構的優點有：插入損耗低、回波損耗小、頻帶寬，而且結構緊湊、體積小，加工方便、裝卸容易，因而特別適合在毫米波領域里應用。

文中接下來便是研究一種橫向的波導-探針-微帶過渡結構。

1 波導-探針-微帶過渡理論分析

微帶探針實質上是從同軸探針發展而來的。最根本的原理即是在波導寬邊開條縫，通過一段起耦合作用的微帶線把波導中的電場耦合到微帶線上。當從波導轉換至微帶時，探針即是相當于一個接收小天線，將波導中的能量接收至微帶線上；而當從微帶轉換至波導時，探針即是相當于一個發射小天線，將微帶中的能量發射至波導中。

具體一點來講，就是當從波導轉換至微帶時，沿探針方向具有非零電場的波導模式比如TE模式會在探針上激勵出電流，從而激勵起電磁場，將波導內的電磁場傳輸出去，同理，當從微帶轉換至波導時，微帶線上TEM模向波導入射產生的電流也會激勵起相應的波導模式。

目前用得最多的波導-探針-微帶過渡結構主要有兩種，一種是微帶平面的法向與波導內電磁波的傳播方向垂直，另一種是微帶平面的法向與波導內電磁波的傳播方向平行，結構分別如圖1和圖2所示。

圖1 微帶平面與波傳播方向垂直Fig.1 Microstrip plane and wave propagation direction are perpendicular

圖2 微帶平面與波傳播方向平行Fig.2 Microstrip plane and wave propagation direction are parallel

矩形波導中的波導短路面離微帶探針大約為四分之一波長，因為這樣電磁波一個來回的傳輸距離就是二分之一波長，便可使波導內形成駐波，用來保證探針在波導中處于電壓最大值處，也即電場最強處，以實現最大的耦合。由于探針過渡結構不可避免的會具有容性電抗，所以探針后面還需串聯一段高感抗線抵消其容抗。而在某些應用場合，為了得到更好地阻抗匹配效果，還會在高感抗線的后面接一根四分之一波長阻抗變換器將阻抗匹配到50 Ω的標準微帶線。轉換部分的腔體通過一個窗口與后面的電路腔體相連，該窗口的尺寸需要合理選擇，既要將能量約束在微帶線上，抑制高次模的傳輸，同時又要有足夠的高度，以免影響微帶線的場結構。

由以上的的分析可見，不管是微帶平面與波傳播方向平行還是微帶平面與波傳播方向垂直，都有一個共同的特點，那就是波導的能量傳輸方向與微帶線的能量傳輸方向是垂直的。也就是說這兩種過渡結構只適用裝配在波導與微帶能量傳播方向相互垂直的場合。若是在波導與微帶能量傳播方向必須在同一方向時，則不能采用探針過渡了，而必須轉而采用波導-脊波導-微帶過渡，或者波導-對極鰭線-微帶過渡等結構了。

文中即是為了解決這一問題而設計了一種橫向的波導-探針-微帶過渡結構，使得在波導與微帶能量傳播方向在同一方向的場合依然可以采用探針過渡的方式，發揮波導-探針-微帶過渡的優越性。

設計的結構如圖3所示。

圖3 橫向波導-探針-微帶轉換結構Fig.3 Transverse waveguide-to-microstrip probe transition structure

這種結構實際是由微帶平面與波傳播方向垂直的結構變換而來。關鍵的改進在于圖3所示的匹配階梯。通過這個匹配階梯實現波導的90度轉角，減小轉角發射和損耗，從而最終實現將探針和微帶的傳輸方向轉換至與波導同一方向上。只要匹配階梯設計恰當，便可以將轉角的反射和損耗降至非常低，從而實現波導至微帶的低損耗轉換。

2 結構仿真設計與優化

2.1 微帶線與介質基片以及波導各參數選擇

介質基片既是微波電磁場的傳輸媒介，同時也是電路的支撐體，選擇合適的基片對整個結構的性能有很大幫助。

通常對基片的要求是微波損耗小、表面光滑度高、硬度強、韌性好等。

文中采用介電常數為2.2的Duroid5880作為電路的介質基片?；穸葹?.254 mm。

微帶線采用標準的50 Ω標準微帶，金屬層厚度為0.035 mm，取中心頻率，則在中心頻率34 GHz處微帶線寬為0.77 mm。

由于是本論文是設計Ka波段的波導—微帶轉換結構，所以采用寬邊為7.112 mm，窄邊為3.556 mm的標準矩形波導。

可得 λc=14.224 mm。

可得，Ka波段的波導波長為最短為8.83 mm最長為18.7 mm，其中，中心頻率34 GHz處的波導波長為11.2 mm，對應的四分之一波長就是2.8 mm。也就是波導短路面距離探針中心距離的理論值。

2.2 仿真與優化

本論文需要仿真設計的結構尺寸有：

1）波導開口縫隙高度gap_h和寬度gap_w；

2）插入波導內的探針寬度lip_w，長度lip_l；

3） 高感抗線的寬度：z_w，長度 z_l；

4）短路面距探針中心長度distance；5）轉換階梯高度tran_h，寬度tran_w.

對以上尺寸的設計仿真采用的是基于有限元方法的著名電磁場仿真軟件平臺Ansoft HFSS。

仿真模型如圖4所示。

圖4 HFSS中的模型Fig.4 Module in HFSS

經過多次仿真與優化，最終得到各最優化參量如表1所示。

表1 模型最優化參量（單位：mm）Tab.1 Optimal model parameters（unit:mm）

根據以上數據得到的仿真結果如圖5和圖6所示。

由圖5可見，在ka全頻段內，插入損耗小于0.15 dB，由圖6可見反射系數大于21 dB，達到很理想的結果。

圖5 插入損耗Fig.5 Insertion loss

圖6 反射損耗Fig.6 Return loss

3 結 論

文中設計了一種中心頻率為34 GHz的Ka波段的橫向波導—探針—微帶轉換結構，經過理論分析以及仿真優化設計，在26.5～40 GHz的全頻段內得到了理想的結果。這種結構具有寬頻帶，低插損的優良特性，使得波導—探針—微帶轉換結構在波導與微帶能量傳輸方向在同一條直線上的場合依然可以適應，具有重要的工程應用價值和廣闊的應用前景。

[1]薛金良.毫米波工程基礎[M].國防工業出版社，1998.

[2]甘仲明，張更新.毫米波通信技術與系統[M].北京：電子工業出版社，2003.

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[4]張榮輝，唐小宏，何宗銳.Ka波段寬帶波導－微帶探針過渡設計[C]//2003年全國微波毫米波會議論文集，2003：461－464.

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