一種新型Ku波段波導微帶雙探針過渡結構

范高生 劉維滿 卿安永

摘要：提出了一種Ku波段波導與探針內信號傳播方向相互平行的設計方法，該方法基于波導-微帶雙探針結構，通過波導彎頭將信號改變90°，從而使波導與探針內信號的傳播方向相互平行，并利用雙探針結構集成了功率分配的功能。產品測試結果表明，該過渡結構在14GHz～18GHz內插入損耗小于3.1dB，輸入回波損耗大于19dB，性能較好，具有一定的工程應用價值。

關鍵詞：波導；微帶；雙探針；過渡結構

中圖分類號：TN603.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）08-0172-03

波導-微帶過渡結構是各種雷達、通訊、電子對抗系統中最重要的一種無源器件，也是各系統的重要組成部分，其性能的好壞直接影響系統的整體性能。

目前比較常用的波導-微帶過渡結構有：階梯脊波導過渡、對脊鰭線過渡和耦合探針過渡[1-5]。其中，階梯脊波導過渡的特點是信號在波導-微帶中的傳輸方向相互平行，但主要缺點是體積較大、加工時工藝要求高、設計成本增加；對脊鰭線過渡的的特點也是信號在波導-微帶中的傳輸方向相互平行，主要缺點是插入損耗較大、體積較大且結構復雜，同樣不利于生產加工；耦合探針過渡的特點是信號在波導-微帶中的傳輸方向相互正交，優勢是結構體積較小、簡單且安裝方便，在當前毫米波波段工程設計中具有重要的應用價值[6]。

傳統波導-微帶耦合探針過渡模型如圖1所示，技術原理如下：探針從波導寬邊中心插入，通過耦合作用，將波導中的電場耦合到微帶線。能量在波導-微帶線之間轉換時，探針的作用就類似于一個發射-接收天線。微帶線中的能量發射至波導中時，探針起著“發射天線”的作用；反之，當波導中的能量轉換至微帶線時，探針就起著“接收天線”的作用。

上述模型中，探針應置于距波導短路面約1/4λ（λ即波長）的位置。這樣，信號從經過探針到被短路面反射、到再次經過探針，共1/2λ，這樣就保證了探針處于波導中的電壓最大值（電場最強）處，從而實現最大耦合。

1 波導-微帶雙探針結構設計原理

對于波導-微帶能量相互正交的場合，上述傳統模型是可以滿足需求的，因為信號在波導-微帶中的傳輸方向是相互垂直的。對于波導-微帶能量相互平行的場合，通常需采用波導-脊波導-微帶過渡結構或波導-對脊鰭線-微帶過渡結構，但波導-脊波導-微帶過渡不易實現脊波導與微帶的有效連接，波導-對脊鰭線-微帶過渡尺寸較大、損耗也偏大，都不太能夠滿足實際工程中的應用需求。

為了解決上述問題，本文對傳統波導-微帶探針結構進行了改進，提出了一種新型波導-微帶雙探針過渡結構的設計方法，如圖2所示。該設計采用雙探針對稱放置方式，探針距短路面1/4λ，通過波導90°轉角彎頭，使能量在波導-微帶中的傳輸方向相互平行。該設計的另一個優勢是集成了功率分配器的功能，使能量均分地耦合到雙探針上。該設計在充分實現上述功能的同時，保持了體積較小的優勢。

實際應用中，工程器件的總體高度為18mm，輸入波導口的尺寸固定為。為了提高雙探針間的隔離度，使得更多的能量向雙探針耦合，探針間的距離就需要增大，即需要在波導短路面和90°轉角彎頭間提高波導的寬度與高度空間。拓寬后的高度空間，理論上不能超過工件總體高度減去波導自身的厚度。為了降低插入損耗，使信號能夠順利通過90°轉角，本文設計中采用了波導匹配階梯結構。

圖2設計中，表示探針插入深度，表示探針間的距離，和表示探針在波導寬邊開槽的位置，表示波導短路面的圓切角半徑，表示波導90°轉角的圓切角半徑，和表示階梯波導的寬度，和表示階梯波導的高度，表示波導短路面窄邊寬度。 r1表示探針的內導體柱半徑，其中r1=0.3mm；r2表示探針的外導體柱半徑，其中r2=1.0mm；中間介質層為Roger公司的Duriod 5880基片，介電常數。

2 設計與優化分析

工程應用中使用HFSS作為設計軟件，以圖2為基礎建立設計模型，幾何三視圖如圖3所示。

產品組件的測試結果見圖4。在14～18GHz頻帶范圍內的測試結果表明，插入損耗的測試值在3.00dB～3.10dB之間，平坦度為0.05dB，說明插入損耗較低，詳見圖4（a）；回波損耗的測試值在19 dB～38dB之間，大于19 dB，性能較好，詳見圖4（b）。以上數據證明了該產品組件滿足實際工程應用的需求。

3 結語

本文提出了一種新型波導-微帶雙探針設計結構，該結構使波導-探針內信號的傳輸方向相互平行，并利用了雙探針結構，集成了功率分配器的功能。該過渡結構在14～18GHz頻帶內插入損耗小于3.1dB，輸入回波損耗大于19dB，性能較好，極具工程應用價值。本文產品組件設計在雷達、通訊、電子對抗等系統的應用中均可發揮重要作用，目前已成功應用于某有源相控陣雷達T/R組件中。

參考文獻

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[6]張榮揮，唐小宏，何宗銳.Ka波段寬帶波導—微帶探針過渡設計[A].中國電子學會.2003'全國微波毫米波會議論文集[C].中國電子學會：中國電子學會微波分會，2003：4.