一種Ka波段寬帶波導-微帶轉換器的研制

宋志東 張國強 崔 敏

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波雷達系統(tǒng)由于其高分辨率和大氣傳播的低損耗特性等優(yōu)點，最近受到了越來越多的關注。在毫米波系統(tǒng)中，為了減小傳播損耗和抑制高次模，波導系統(tǒng)取代了同軸系統(tǒng)，直接與微帶電路連接。因此波導微帶轉換器成為毫米波系統(tǒng)中一種非常重要的元器件，其關鍵指標駐波與插損直接影響雷達系統(tǒng)的各項參數(shù)如噪聲系數(shù)、發(fā)射功率等。

對于不同傳輸系統(tǒng)間的能量轉換，轉換電路首先要能完成電磁場結構轉換功能;其次還應該具有插損小、駐波低、足夠的工作帶寬、結構簡單、一致性好等指標和設計要求［1］。目前工程上常用的轉換結構主要有鰭線過渡［3］、小孔耦合［4］、脊波導過渡以及微帶探針［5-6］等方式。在Ka 波段，這些結構均能在30%左右?guī)拑全@得良好的性能指標，但是在實際應用中都存在一些缺陷。就上述結構中的鰭線過渡而言，其裝配難度較大，重復性差，連接過松將會影響過渡電路性能，太緊則會損壞微帶電路。而且過渡電路的結構導致微帶電路不能密封，不適宜用在環(huán)境要求嚴格的軍用雷達上;而其他三種結構存在帶寬窄，同樣不能氣密等缺點。

本文的設計針對于上述問題，提出了一種寬帶的波導微帶轉換器，所采用的技術方案是:先采用一個波導同軸過渡結構將傳輸線從波導轉換成同軸系統(tǒng)，再通過同軸微帶過渡結構完成轉換。相對于其他過渡形式，這種結構的優(yōu)點在于其工作頻帶較寬，可以覆蓋全頻帶;并且氣密性較好，可以對微帶電路中的芯片等器件起到很好的保護。

1 基本原理

由圖1 可知，本文的波導微帶轉換器分為兩個部分:波導同軸過渡、同軸微帶過渡。

圖1 波導微帶轉換器原理圖

1．1 波導同軸過渡

波導同軸過渡結構形式多種多樣，各有優(yōu)缺點。本文采用了同軸探針型過渡結構，并加大了探針在波導腔內的尺寸，減弱了波導的高阻特性，以減小阻抗對頻率變化的敏感性，從而展寬了過渡結構的頻帶。

圖2 波導同軸轉換正視圖

圖3 波導同軸轉換側視圖

圖2 和圖3所示為同軸探針在波導腔內的電場分布示意圖。其中A、B分別為波導的長寬，h為探針探入波導的尺寸，L為探針距離波導短截面的距離。為了獲得最好的耦合效果，同軸探針直接從波導E 面的中心探入。在只考慮TE10模的前提下，此時波導的輸入阻抗為［7］:

上式中，Z0為同軸線的特性阻抗;通過選擇合適的探針探入尺寸h以及探針距短路面距離L，可以使波導阻抗的實部R盡量接近同軸線特性阻抗Z0，從而使盡可能多的能量耦合到波導內。

通過計算與實驗可以確定，當探針距離波導短截面的距離L=1/4λ 時，反射波和入射波在探針處同相疊加，此時反射系數(shù)Γ ≈1，當探針長度h=B/2 時，R與同軸線的特性阻抗一致，此時同軸系統(tǒng)與波導系統(tǒng)間的轉換效率最高［1］。

1．2 同軸微帶過渡

本文中同軸微帶過渡結構是將同軸探針從微帶線底面穿入直到微帶線正面?zhèn)鬏斁€。為了減小過渡結構的插損，必須避免同軸線中高次模的出現(xiàn)，使同軸線中只有橫電磁波傳輸。同軸線中最低的(即截止波長最長的)高次模是TE11模。為了避免高次模出現(xiàn)，同軸線的尺寸和工作波長應該滿足下式:

其中a和b分別為同軸線的內外半徑，λ0為工作波長，εr為同軸線介質介電常數(shù)［3］。

由于同軸線與微帶線連接處有明顯的階梯狀不連續(xù)性，為了展寬過渡結構的工作帶寬，本文在探針與微帶之間加入了一段空氣過渡來匹配同軸線與微帶線。從仿真與測試結果來看，效果良好。

2 仿真設計與實驗結果

本文在微波仿真仿真軟件HFSS 中建立了如圖4所示的波導微帶轉換器的結構模型，波導口為BJ320 標準，A=7.112mm，B=3.556mm。微帶板采用Rogers5880，εr=2．2，厚度0.254mm。為了減小誤差，模型采用了直徑0.5mm 的圓形倒角。

根據(jù)基本原理推算出模型的初始值如表1所示。

表1 模型初始值

仿真后發(fā)現(xiàn)，該初始值的S 參數(shù)并不是很好。為了增加工作帶寬和減小駐波，利用HFSS 軟件對模型進行優(yōu)化仿真(見表2)。優(yōu)化過程中發(fā)現(xiàn)適當加大同軸探針的尺寸可以減小駐波，而合適的空氣腔尺寸則可以擴展工作帶寬。

最后得到的結構圖與仿真結果如圖4、5所示:

圖4 波導微帶轉換器結構模型

圖5 波導微帶轉換器結構仿真結果

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表2 模型優(yōu)化值

從結果中可以看出，整個過渡器在26.5GHz ～40GHz 全頻帶范圍內有良好的性能，駐波系數(shù)≤1.3，插入損耗≤0.2dB，基本滿足設計要求并留有一定余量。

在轉換器中，由于同軸探針以及空氣腔過渡這兩個部分的加工精確度對性能影響較大。為了避免后期調試，樣品試制中專門制作了一個圓環(huán)片來完成空氣腔過渡部分、并采用了訂制的同軸探針以確保精度，簡化裝配難度。

根據(jù)仿真結果制作樣品，樣品采用鋁加工，表面導電氧化處理，為了方便測試，制作成了背靠背的結構，如圖6所示。

用安捷倫矢量網(wǎng)絡分析儀5244A 測試轉換器樣件，在Ka 頻段內，測試數(shù)據(jù)見圖7。

圖6 轉換器樣品圖

樣件的測試結果如圖7所示，在樣件的安裝過程中，由于空氣過渡環(huán)的安裝有一點的偏差，空氣過渡腔與同軸探針同心度不好，導致相關指標出現(xiàn)了一定的惡化，后續(xù)可以考慮將空氣過渡環(huán)與同軸探針一體加工，進一步精簡工藝，提高轉換器性能。

從圖7 中可以看出，轉換器在26.5GHz ～40GHz 工作頻帶內，駐波系數(shù)≤1.4，單只插入損耗≤0.45dB，滿足工程應用要求。

3 結論

本文介紹了一種覆蓋整個Ka 頻段的寬帶波導微帶轉換器的設計方法。與其他相類似的過渡結構相比，其主要優(yōu)點有:寬頻帶、低駐波、加工簡單、批量一致性好。設計中采用的新型探針結構以及空氣腔過渡結構有效的保證了轉換器的寬頻帶特性。在大批量生產中可以采用訂制的同軸探針，簡化加工工藝，減少調試量，保證性能的一致性。

圖7 波導微帶轉換器背靠背測試結果圖

［1］薛良金.毫米波工程基礎［M］.北京:國防工業(yè)出版社.1999.

［2］David M.Pozar.微波工程［M］.北京:電子工業(yè)出版社.2006.

［3］張國強，王潔.一種Ka 波段微帶-波導轉換的設計［J］.火控雷達技術，2014，43(2):82-85.

［4］Yifei Zhang，Shouyuan Shi and Dennis W.Prather.Slot-Coupled Waveguide-to-Microstrip Transition and Waveguide-Fed Patch Antenna at E-Band［J］.IEEE，AP-S，2013:1858-1859.

［5］Jinqing Wang，Weiye Zhong.Development of A Ka-Band Waveguide to Microstrip Transition［J］.IEEE，May 2012:1135-1137.

［6］Hyuk-Ja Kwon.Waveguide to Microstrip Probe Transition for Ka-band Transceiver Applications［J］.IEEE，APMC，2008:446-448.

［7］柯林.導波場論［M］.侯元慶譯.上海:上海科學出版社，1966.