一種Ka波段微帶-波導轉換的設計

張國強 王 潔

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在相控陣雷達系統中，作為核心部件的T/R組件一直是研究的重點。構成組件的關鍵部件毫米波單片集成電路往往通過微帶形式連接，而在毫米波測試和傳輸系統中，矩形波導是主要的傳輸形式。于是有必要對微帶到矩形波導接口的轉換進行深入研究。

在使用波導接口的毫米波系統中，利用微帶電路集成度高的特點使微帶波導轉換結構必不可少。微帶-波導過渡要求低損耗、寬頻帶、易加工等特點，目前過渡形式主要有以下幾種方式:鰭線過渡、小孔耦合、脊波導過渡以及E-面探針過渡［1］。鰭線過渡可視為準平面結構，易于系統集成，在毫米波混合集成電路中得到廣泛應用。

關于微帶-波導轉換結構，國內外已有多篇報道［2-6］。本文分析了微帶、波導的傳輸模式，并在此基礎上設計了一種Ka波段微帶-波導鰭線轉換結構，通過高頻微波設計軟件HFSS仿真，根據仿真優化結果加工實物測試表明:頻帶內插入損耗小于0.3dB，回波損耗優于20dB，輸入輸出駐波優于1.20。

1 理論分析

1.1 鰭線結構

如圖1所示，鰭線由單面或雙面敷有金屬膜的厚度為S或2S的介質基片插入毫米波波導腔中構成，在金屬膜中央對稱軸線處去掉一定寬度的金屬層形成一個縫隙W，單面金屬膜處于波導寬邊中央與寬邊垂直，而與波導寬邊并不要求十分嚴格的連接，因為對基模TE10波來講，在波導寬邊中心處的高頻電流是縱向的，平行于金屬鰭，所以鰭與波導壁的不良連接并不會切斷高頻電流。

1.2 鰭線傳輸模式

圖1 鰭線結構

在鰭線中傳播的是一種混合波，它由TE模和TM?；旌隙?。鰭線的主要優點是:a.準TE10模的單模帶寬比對應的矩形波導的TE10模單模帶寬要寬;b.尺寸能與毫米波有源或無源器件共度，可以與多種電路集成;c.波導波長比同一頻率下微帶線中的波導波長長，加工公差要求比微帶低;d.由標準矩形波導構成，易于在整個波導帶寬內與波導系統連接。

鰭線的特性阻抗有很多的計算公式，使用最多的是如下的計算公式［7］，這一公式適用于0＜b/a≤1，1/64＜S/a≤1/4及介質基片相對介電常數在1≤εr≤3．75 的取值范圍。

λ為自由空間工作波長;λg為鰭線波導波長;d為介質基片厚度。

εe為鰭線有效介電常數，λca為存在介質基片時鰭線的截止波長。

2 仿真實現

如圖2(a)所示，在HFSS中建模，仿真中采用基片材料Rogers5880，介電常數為2.2，基片厚度為0.254mm，上下金屬覆銅厚度為0.018mm，波導接口為標準BJ320，長度為7.12mm，寬度為3.56mm。仿真變量包括鰭線寬度W1，長度L1，階梯高H1，以及切口尺寸b1。微帶-波導過渡的初始尺寸為:

仿真參數 W1 L1 H1 b1初始值(mm) 0.6 8.3 0.3 0.2

圖3 微帶-波導轉換實物圖

圖2(b)所示是微帶-波導轉換電場仿真結果，可以看出電場在波導腔體內能夠很好的傳輸，達到了設計要求。

由圖 4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可知，在頻帶范圍內，微帶-波導轉換仿真插入損耗可以小于0.3dB，回波損耗優于20dB，輸入輸出駐波優于1.20，并且具有很好的相位一致性。

根據仿真優化結果得到的最終尺寸，加工實物，測試結果如下:

通過仿真與測試得到了很好的器件參數，滿足設計要求，采用一端接標準的BJ320波導，另一端通過絕緣子燒結于微帶板的形式進行微波激勵。

實物測試結果表明:在頻帶范圍內，微帶-波導探針插入損耗小于0.3dB，端口駐波優于1.2，與仿真結果基本吻合，證明了該種設計方法的可行性。在后期的設計中，可以采用更先進的工藝技術，使仿真和實物達到很好的一致性，各項指標還會有優化的可能性。

圖4 微帶-波導過渡仿真曲線

圖5 微帶-波導過渡實物測試曲線

3 結論

本文設計的微帶-波導轉換結構，具有低損耗、寬頻帶、易加工等特點，可以很好的解決在毫米波頻段信號傳輸的瓶頸問題，能夠為收發組件的過渡轉換提供良好的解決方案。

［1］ 薛良金.毫米波工程基礎［M］.北京:國防工業出版社，1999.

［2］朱大紅，齊鋒，Ka波段微帶-波導轉換器設計［J］.微波學報，2008，24(增刊):141-144.

［3］ 愛民，韓江安，一種新型毫米波矩形微帶-波導過渡結構.半導體技術，2010，35(5):458-461.

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［6］T.Djerafi，A.Ghiotto，and K.Wu.Antipodal Fin-Line Waveguide to Substrate Integrated Waveguide Transition.IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology［DB］.2012，978-980.

［7］W.J.R.Hoefer.Characteristics of fin lines with arbitrary dimensions calculated from data for lines in stabded enclosures.IEEE Microwave and Wireless Components Letters［DB］.1980，261-265.