一種介質密封型微帶波導轉換器的設計

張生春, 張國強, 張山杉, 廖　原

(西安電子工程研究所 微波工程事業部， 陜西 西安 710100)

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一種介質密封型微帶波導轉換器的設計

張生春, 張國強, 張山杉, 廖原

(西安電子工程研究所 微波工程事業部， 陜西 西安 710100)

設計一種適用于有密封性要求的毫米波收發組件的微帶波導轉換器。采用微帶探針形式實現微波信號從微帶傳輸到波導傳輸的轉換，通過微帶過渡和波導空氣腔實現轉換的良好匹配，采用介質密封環實現對波導口的密封。實例測試結果表明，在30～40 GHz頻率范圍內，轉換器駐波比小于1.4，插入損耗小于0.3 dB。

毫米波；微帶波導轉換；密封型；小型化

隨著毫米波砷化鎵、氮化鎵單片微波集成電路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)芯片的迅速發展，使得作為毫米波有源相控陣雷達的關鍵部件——收發(Transmitter and Receiver，T/R)組件得到了快速發展[1]。在毫米波收發組件內部廣泛使用的傳輸線形式是微帶線，而天線接口一般為波導接口。如何有效地在通道間距僅為4～5.5 mm的收發組件中，實現微帶到波導的微波傳輸方式轉換，成為毫米波工程應用研究方向之一。

目前，常用的轉換形式有鰭線過渡[1]、脊波導過渡[2]、小孔耦合[3]、同軸絕緣子探針過渡[4-7]、微帶探針過渡[8-9]等。在毫米波段，上述轉換結構都能實現微帶到波導的轉換，但將其應用于有源相控陣雷達多通道組件上，均不滿足毫米波多通道T/R組件的小型化、密封性、易集成的要求。鰭線和脊波導轉換結構太大，小孔耦合和一般微帶探針都沒有實現密封，而同軸探針過渡不易進行組裝。

本文針對毫米波有源相控陣多通道收發組件微帶波導轉換問題，設計一種改進的介質密封性微帶波導轉換器，以期解決微帶波導過渡中的低損耗、寬頻帶、小型化和密封型問題。

1　模型分析和電路設計

1.1轉換模型分析

微帶電路的微波傳輸主模式為準TEM模式，波導的傳輸模式為TE10模式。微帶波導轉換器有E面探針和H探針兩種結構形式。轉換器的關鍵在于用微帶探針形成一種激勵裝置，使得在波導某一截面建立的電場，與所要激勵的波導TE10模式的電場分布一致[10]。E面波導微帶轉換原理如圖1所示，微帶探針從波導寬邊的中央插入，激勵波導傳輸的電磁場。

圖1　E面波導微帶轉換原理

波導一側有短路面，通過調節短路面的位置和探針在波導中的深度，可在波導的另一側獲得傳輸所需的TE10模式，使其幅度盡可能大。通過計算探針在波導中的輸入阻抗，再加一段微帶阻抗匹配枝節，實現波導到50 Ω微帶線的匹配，從而實現良好的過渡性能。

矩形波導在TE10模式下探針的輸入阻抗[10]為

Zin=R+jX,

(1)

式中

(2)

(3)

其中，a，b分別為波導的寬邊和窄邊的長度，η為空氣波阻抗，β10為矩形波導TE10模式相移常數，k為傳播常數，L為短路面的位置，d為探針的長度。

由式(1)、式(2)和式(3)可知，轉換器的探針輸入阻抗是探針長度d和短路面距離L的函數，可選擇一定的d和L，使輸入探針電阻和微帶線的特性阻抗相等，調節輸入探針的電抗以抵消各高次模式引入的電抗，從而使入射信號盡可能地耦合到波導內，即可實現最佳匹配。

1.2轉換模型改進設計

圖1中E面波導微帶轉換器的波導為標準WR10波導，轉換器尺寸較大，無法滿足毫米波多通道T/R組件間距尺寸要求；同時微帶探針探入波導腔內，沒有實現波導對外的密封，影響組件可靠性。因此，對E面探針轉換器進行改進設計。改進的波導微帶轉換器如圖2所示。

圖2　改進的波導微帶轉換器結構

具體改進如下。

(1)采用減高波導實現微帶波導轉換(端口尺寸為7.11 mm×1 mm)，減小轉換的結構尺寸。

(2)采用波段階梯過渡實現轉換波導到輸出波導的過渡。

(3)采用介質密封環將波導口覆蓋，實現對波導口的密封。

(4)采用匹配空氣腔，提高轉換的傳輸匹配性。

2　仿真設計

利用三維電磁場仿真軟件HFSS對圖2的改進微帶波導轉換器進行建模仿真。

轉換器的轉換波導的尺寸為7.11 mm×1 mm，輸出波導尺寸為7.11 mm×2 mm，采用兩次階梯波導進行過渡。微帶介質采用介電常數為2.2 的Rogers RT/duroid材料，微帶厚度為0. 127 mm，線寬為0.38 mm。微帶轉波導的結合處采用介質環對波導口進行覆蓋。波導短路面一側加入匹配空氣腔增加匹配性。

微帶波導轉換器模型如圖3 所示。

圖3　微帶波導轉換器模型

在仿真中分別對微帶探針的長邊和寬邊、探針進入波導的位置、反射面的位置、階梯波導的窄邊寬度進行聯合優化設計，最終得出微帶波導轉換器的仿真插入損耗和電壓駐波比，結果分別如圖4和圖5所示。

圖4　插入損耗仿真結果

圖5　電壓駐波比仿真結果

由仿真結果可見，在30～40 GHz的寬頻帶內轉換器插損小于0.05 dB，駐波比小于1.17，從而提高了轉換器的工作帶寬。

3　實例測試

將改進的微帶波導轉換器應用于毫米波8通道收發組件，組件通道間距為4.8 mm，采用微波微帶介質板對波導口進行微組裝共晶燒結工藝密封，設計實物如圖6所示。

圖6　毫米波收發組件微帶波導轉換器

應用矢量網絡分析儀(N5244)對毫米波組件的微帶波導轉換端口駐波進行測試，結果如圖7所示。

圖7　毫米波收發組件端口駐波測試

由圖7可見，微帶波導轉換器端口駐波比小于1.4，從而驗證了改進的微帶波導轉換器具有良好的毫米波信號傳輸性能。

由于收發組件的集成設計，微帶波導轉換器無法進行傳輸損耗的單獨測試。但是，通過測試收發組件中與微帶波導轉換性能直接相關的指標，如發射功率、噪聲系數、接收增益等，進行預估計算，微帶波導轉換器插入損耗應小于0.3 dB。

4　結語

通過對E面波導微帶轉換器改進，得到改進的介質密封性微帶波導轉換器，對其進行建模仿真優化。實例測試結果表明，該轉換器端口駐波比小于1.4，插入損耗小于0.3 dB，具有小型化、密封型和易集成的特點。

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[10] 傅君眉,馮恩信. 高等電場理論[M]. 西安：西安交通大學出版社,2000:125-129.

[責任編輯:祝劍]

Design of microstrip waveguide transition with sealing

ZHANG Shengchun,ZHANG Guoqiang,ZHANG Shanshan,LIAO Yuan

(Microwave Engineering Business Division, Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

A microstrip waveguide transition for the millimeter wave microstrip waveguide conversion circuit with sealing requirements is designed. In this design, a microstrip probe is used in the circuit to complete the transition of microwave signal from microstrip to waveguide. Microstrip transition and air cavities are used to improve the matching, and medium ring is used to seal the waveguide. This transition is featured with low loss, wide band, small and sealed. The designed converter has insertion loss less than 0.3 dB，and standing wave at port is less than 1.4 in the frequency range of 30～40 GHz．

millimeter wave, microstrip waveguide transition, sealing,miniaturzation

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.018

2016-03-08

兵器預研支撐基金資助項目(62201070140)

張生春(1984-)，男，碩士研究生，研究方向為雷達收發組件。E-mail：260991259@qq.com

張國強(1983-)，男，碩士研究生，研究方向為微波電路模塊。E-mail：151470297@qq.com

TN957

A

2095-6533(2016)04-0092-04