一種寬頻帶低插損的波導-微帶轉換器的設計

王俐聰， 楊曉明， 丁 勇， 劉永杰

(上海無線電設備研究所， 上海 200090)

一種寬頻帶低插損的波導-微帶轉換器的設計

王俐聰， 楊曉明， 丁 勇， 劉永杰

(上海無線電設備研究所， 上海 200090)

設計了一種寬頻帶低插損的波導-微帶轉換器，并基于射頻軟件CST進行了仿真和優化，測試值和仿真結果吻合。頻率范圍覆蓋13 GHz～17 GHz，插入損耗小于0.4 dB，帶內插入損耗紋波小于0.3 dB，回波損耗大于23 dB。

波導； 微帶線； 探針； 仿真； 優化

0 引言

在微波電路及系統中有兩種常見的傳輸形式，一種是矩形波導，另一種是微帶傳輸線。微波收發組件的端口和天線的端口常常采用波導形式；微帶傳輸線是微波固態電路中的主要傳輸形式，因具有體積小、重量輕、使用頻帶寬、可靠性高和制造成本低等優點而廣泛應用；如何在二者之間實現低損耗過渡轉換就顯得尤為重要。

工程應用中，常見的波導-微帶過渡轉換技術有三種，分別為探針過渡、脊波導過渡和槽線過渡。

本文研究的是第一種過渡轉換技術，將微帶傳輸線延伸插入到波導腔內，形成探針，矩形波導腔內的能量耦合到探針上，從而實現兩種微波傳輸形式的轉換。

文中分析了波導-微帶轉換器的微波特性，設計了13 GHz～17 GHz的寬頻帶波導-微帶轉換器，并利用射頻軟件CST進行了仿真和優化。

1 特性分析與設計考慮

矩形波導與微帶傳輸線之間的轉換理論，基于電磁波在不同媒介(如矩形波導和微帶傳輸線)中的傳輸理論和阻抗變換理論。

矩形波導的橫截面為矩形，如圖1所示。

圖1中，x和y分別為直角坐標系的兩根軸線，z為電磁波的傳輸方向，a和b分別為矩形波導的寬邊長度和窄邊長度。

矩形波導中只存在TE波或TM波，電場分布隨時間和空間周期變化，本文只考慮傳輸TE10波的情況，圖2是TE10波的瞬時電場分布圖。

圖2中，由參數a、b和工作頻率f可以計算得到真空波長、波導波長以及矩形波導的阻抗。

微帶傳輸線是常見的微波傳輸媒介[1]，如圖3所示。

圖3中，H是介質層的厚度,h是帶線的金屬層厚度，W1是帶線的金屬層寬度，εr是介質的相對介電常數。由參數H、t、W1、εr和工作頻率f決定微帶線的阻抗。

微帶線可以看作由雙線傳輸線演變而來，傳輸的電磁波為準TEM波，近似于TEM波，其電場分布如圖4所示。

圖4中，微帶線中填充有兩種介質，介質基片和空氣介質，其電場分布主要集中在介質基片中，而空氣中的電場比較弱。

為了把如圖2所示的矩形波導中的微波能量耦合到如圖4所示的微帶線上，須將微帶線沿著波導寬邊中心線的方向插入到波導腔內電場強度最大處。波導腔的內壁在安裝微波探針的地方設置一個臺階，為安裝探針提供定位，如圖5所示。

圖5中，l為探針到波導短路面的距離，d為探針伸入到波導腔內的深度。

由于矩形波導的阻抗和微帶線的阻抗差值較大，為了避免因二者阻抗失配而引起的嚴重反射，所以必須在波導和微帶線間設計一個阻抗變換器。

波導-微帶轉換器的本質就是一個阻抗變換器，根據阻抗變換理論，有

(1)

式中：Zin為探針的阻抗；Z01為矩形波導的阻抗；Z02為微帶線的阻抗。

對于矩形波導，其等效特性阻抗為

(2)

式中：λ為真空波長；λg為波導波長。

(3)

(4)

對于微帶探針，其末端電流為零，電磁波在傳輸方向上以正弦波的形式分布，其底部的輸入阻抗為[2]

(5)

式中：Rin和Xin分別為輸入電阻和輸入電抗。

在TE10模式下的輸入電阻Rin和輸入電抗Xin分別為

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可以看出，Rin和Xin隨探針到短路面的距離l和探針插入波導的深度d的變化而變化。根據式(1)可以看出，通過調整Rin使其滿足波導和傳輸線的匹配，通過調整Xin以抵消激勵高次模的電抗，使探針在波導腔內處于最大電壓處，即電場最強的波腹位置。

在無限長的矩形波導中，電磁波是均勻傳輸的，而在轉換器中存在短路面，電磁波在此處發生反射，正、反方向的電磁波疊加形成波節，波節間距為λ/2，當取探針到短路面的距離l為λ/4時，則探針處于電場最強處，此時電磁波的傳輸效率最大[3]。

2 波導-微帶轉換器的仿真設計

2.1 設計目標

設計一種寬頻帶低插損的波導-微帶轉換器，工作頻率覆蓋13 GHz～17 GHz，插入損耗小于0.4 dB，帶內插損波動小于0.3 dB，回波損耗大于23 dB，輸入端口和輸出端口的駐波比小于1.5。

2.2 設計建模與仿真優化

(1) 建立電路模型

圖5中的探針帶線呈現容性電抗，須設計一段感抗帶線以抵消其電容效應[4]，因此將轉換器改進為兩階變換結構，如圖6所示。

圖6中，Xd和XW0分別為感抗帶線的長度和寬度，感抗帶線很好地改善了波導與微帶線之間的阻抗匹配，使得插損變小，工作頻帶增寬。

轉換器的中心頻率為15 GHz，矩形波導的寬邊a為21.5 mm，窄邊b為3.5 mm。將a=21.5mm和b=3.5mm代入式(2)和式(3)，得到真空波長λ=21.43 mm，波導波長λg=24.72 mm，則有λg/4=6.18 mm，將其代入式(1)中得到矩形波導的阻抗為Z01=434.87 Ω。

傳輸微帶線的基板材料選用Rogers RT/Duroid 5880，厚度H為0.254 mm，介電常數εr為2.22，帶線金屬層厚度h為0.018 mm，可計算得到微帶線的特性阻抗為Z02=50 Ω時的帶線寬度W1為0.37 mm。

根據式(1)可以計算得到探針的阻抗為147.3 Ω，代入到式(6)和式(7)中，可以計算得到探針插入波導腔的深度d為2.18 mm，探針帶線的寬度W0為3.1 mm。

圖6的轉換器為兩階變換結構，各初始值分別?。禾结樀锥藥Ь€長度d為0.86 mm，其寬度W0為3.1 mm，感抗帶線長度Xd為1.32 mm，寬度XW0為0.30 mm，探針距離短路面的長度l為6.18 mm。

(2) 仿真與優化

按初始值設置探針的各個參數，并利用軟件CST進行仿真，得到轉換器的S參數曲線如圖7所示。

圖7中，轉換器的插入損耗S21小于0.7 dB，回波損耗S11大于11 dB，性能較差。

在仿真過程中，發現探針底端帶線的寬度、長度以及探針到波導短路面的距離這三個參數對于S參數曲線的影響較大，對其進行反復優化和對比優化后，微帶探針長度d為0.82 mm，寬度W0為2.8 mm，感抗帶線長度Xd為1.9 mm，寬度XW0為0.38 mm，探針距短路面的長度l為6.24 mm，其S參數的最終優化結果如圖8所示。

圖8中，轉換器的插入損耗S21小于0.2 dB，回波損耗S11大于25 dB，較圖7中的仿真曲線有明顯的改善。

3 實驗結果

根據優化結果，利用軟件AUTOCAD 2010繪制版圖如圖9所示，并按圖10所示的方式實現。

通過圖10所示的方式實現的波導-微帶轉換器密封性好，可靠性高，具有良好的重復性和一致性。

在13 GHz～17 GHz頻率范圍內，測得轉換器的插入損耗不大于0.2 dB，帶內的插損波動不大于0.2 dB，回波損耗大于25 dB，輸入端口和輸出端口的駐波比都小于1.2，完全滿足設計要求。

4 結論

本文分析了波導-微帶轉換器的微波特性，利用電磁波在矩形波導和微帶傳輸線中的傳輸理論以及阻抗變換理論，設計了一種寬頻帶低插損的波導-微帶轉換器。最后基于射頻軟件CST進行了優化，實驗測試值和設計仿真結果相吻合。

[1] 顧繼慧.微波技術[M].北京：科學出版社， 2004:85-106.

[2] Yoke-Choy Leong, Sander Weinreb. Full Band Waveguide-to-microstrip Probe Transitions[J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig, 1999:1435-1438.

[3] Heuven J H C. A New Integrated Waveguide-microstrip Transition[J]. IEEE Trans.Microwave Theory Tech, 1976,(3):144-147.

[4] Yi-chi Shih, Thuy-Nhung Ton, Long Q Bui. Waveguide-to-microstrip Transitions for Millineter-wave Applications[J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp Dig, 1988:473-475.

Design of a Kind of Waveguide-to-microstrip Transition with the Wider Bandwidth and the Lower Insertion Loss

WANGLi-cong，YANGXiao-ming，DINGYong，LIUYong-jie

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

A kind of waveguide-to-microstrip transition with the wider bandwidth and the lower insertion loss is designed, and based on the RF software CST, it simulates and optimizes. In the experiment, the test data are in agreement with the simuation results. For a frequency band from 13 GHz to 17 GHz, the insertion loss is below 0.4 dB, and the wave ripple is below 0.3 dB, and the return loss is above 23 dB.

waveguide； microstrip； probe； simulation； optimization

1671-0576(2017)01-0024-05

2016-01-03

上海航天創新基金項目，編號SAST20150604。

王俐聰(1982-)，女，工程師；楊曉明(1978-)，男，高級工程師，均從事微波毫米電路與系統研制技術研究。

TN817

A