一種新型Ku波段波導微帶轉換器的設計

王 敏， 嚴繼軍， 商遠波， 王月娟

（上海無線電設備研究所，上海200090）

0 引 言

眾所周知，波導傳輸線和波導天線具有損耗低、穩定性好且結構緊湊等優點［1］，在各種導引頭、雷達、通訊、電子對抗等系統領域中已得到了充分利用。微帶傳輸線或者微帶天線具有剖面低、易共形等優點［2］，隨著近年來微波集成電路的發展［3-6］，微帶線也是現代通信系統必不可少的器件。

為了最大化的發揮波導和微帶的優勢，必將同時使用兩種方式的傳輸線，因此在未來的通信系統中，波導-微帶轉接器必將是最重要的一種無源轉接過渡，又是各系統的重要組成部分，它性能的好壞直接影響系統的性能，因此，如何減化和減小波導與微帶間的過渡是非常重要的一個課題。

本文分析了Ku 波段波導-微帶探針轉接的微波特性，設計了一種新型Ku波段波導-微帶轉換器，并用Ansoft hfss軟件對它進行仿真分析和驗證。

1 理論設計

1.1 微帶線的阻抗特性

微帶線是目前混合微波集成電路（HMIC）和單片微波集成電路（MMIC）使用最多的一種平面型傳輸線，結構如圖1所示。

圖1 微帶線結構圖

線寬為W，微帶板厚度為h，傳輸主模式為準TEM 模式（一種混合的TE-TM 波場），電場結構圖如圖2所示［3］。

圖2 微帶線電場圖

本文采用的微帶板為Rogers RT／duroid 5 880tm，板厚h＝1mm，介電常數為2.2。微帶線特性阻抗為50Ω，微帶線寬度為3.29mm。

1.2 波導的阻抗特性

矩形波導是截面形狀為矩形的金屬波導管，其傳輸主模式為TE10模式，當波導傳輸TE10模時，波導內的電磁場有由下式表示：

其中：

式中：z表示波導軸線方向；λg表示波導內波長；t表示波導橫向方向，即x-y 平面。

波導波阻抗公式表示為

式中：η為空氣波阻抗；λ為空氣中的波長；a為波導寬邊長度。

1.3 結構設計

波導-探針-微帶過渡常用的實現方法有兩種［7-9］，如圖3所示。這兩種方案尺寸較大，特別是在空間非常有限的彈載或星載系統中，往往不能接受。

圖3 兩種微帶-波導轉換方法

本文提出的矩形波導-微帶過渡轉換結構如圖4所示。圖中，整個過渡段由三個區域部分組成：

a）1 區為特性阻抗為50Ω 的標準微帶線及終端貼片；

b）2 區為部分加載的寄生貼片；

c）3 區為矩形波導區。

三個區域可完成將矩形波導中TE10主模的電場與磁場轉變為微帶線中準TEM 模電磁場，通過調整微帶終端貼片的長度p1、寬度pw，以及加載的寄生貼片的長度L1、寬度L2等結構尺寸，可使電磁波通過該過渡時，獲得較高的轉換效率，以及插入損耗較小的特性。

為獲得整個過渡電路良好的駐波特性，通過調整寄生貼片的縫隙長度sl1和縫隙寬度sw1以及終端貼片縫隙深度sl等結構尺寸，完成矩形波導接口的阻抗匹配功能。

波導同軸轉接器立體圖、平面結構圖和具體尺寸圖如圖4-6所示，本文所有的的波導尺寸為a＝12mm，b＝3 mm，微帶線特性阻抗為50Ω，微帶板 選 用Rogers RT／duroid 5 880tm，厚 度1mm，εr＝2.2，通過調節sw1和sl1兩個尺寸可以優化駐波系數，對設計非常有利。

圖4 波導同軸轉接器立體圖

圖5 波導同軸轉接器平面結構圖

圖6 波導同軸轉接器貼片和微帶線尺寸圖

2 設計結果

通過對一個Ku波段同軸轉波導結構的尺寸設計，具體尺寸為

通過優化設計，通過Ansoft hfss軟件仿真結果如圖7所示，可見回波損耗小于-15dB 的帶寬大于1.5G，傳輸損耗0.5dB。

圖7 波導同軸轉接器仿真結果

圖8為電場分布圖，可以看出通過該耦合結構，實現了波導的TE10模式與微帶線的準TEM模式的轉換，達到了良好傳輸性能和阻抗性能。

圖8 波導同軸轉接器電場分布圖

3 結論

本文論述了一種新型波導微帶轉換器的設計方法，從研制的Ku波段波導微帶轉換器結果來看，具有低損耗性能和良好的駐波性能，說明本文所述的設計方法具有一定的應用價值并且其結構簡單，易于加工，具有一定的實用價值。該新型結構并對微波系統和天線系統的開發與應用具有重要的參考價值。

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