一種新型Ku波段波導(dǎo)微帶雙探針過渡結(jié)構(gòu)

范高生 劉維滿 卿安永

摘要：提出了一種Ku波段波導(dǎo)與探針內(nèi)信號傳播方向相互平行的設(shè)計(jì)方法，該方法基于波導(dǎo)-微帶雙探針結(jié)構(gòu)，通過波導(dǎo)彎頭將信號改變90°，從而使波導(dǎo)與探針內(nèi)信號的傳播方向相互平行，并利用雙探針結(jié)構(gòu)集成了功率分配的功能。產(chǎn)品測試結(jié)果表明，該過渡結(jié)構(gòu)在14GHz～18GHz內(nèi)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(yīng)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：波導(dǎo)；微帶；雙探針；過渡結(jié)構(gòu)

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

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

目前比較常用的波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)有：階梯脊波導(dǎo)過渡、對脊鰭線過渡和耦合探針過渡[1-5]。其中，階梯脊波導(dǎo)過渡的特點(diǎn)是信號在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互平行，但主要缺點(diǎn)是體積較大、加工時(shí)工藝要求高、設(shè)計(jì)成本增加；對脊鰭線過渡的的特點(diǎn)也是信號在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互平行，主要缺點(diǎn)是插入損耗較大、體積較大且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，同樣不利于生產(chǎn)加工；耦合探針過渡的特點(diǎn)是信號在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互正交，優(yōu)勢是結(jié)構(gòu)體積較小、簡單且安裝方便，在當(dāng)前毫米波波段工程設(shè)計(jì)中具有重要的應(yīng)用價(jià)值[6]。

傳統(tǒng)波導(dǎo)-微帶耦合探針過渡模型如圖1所示，技術(shù)原理如下：探針從波導(dǎo)寬邊中心插入，通過耦合作用，將波導(dǎo)中的電場耦合到微帶線。能量在波導(dǎo)-微帶線之間轉(zhuǎn)換時(shí)，探針的作用就類似于一個(gè)發(fā)射-接收天線。微帶線中的能量發(fā)射至波導(dǎo)中時(shí)，探針起著“發(fā)射天線”的作用；反之，當(dāng)波導(dǎo)中的能量轉(zhuǎn)換至微帶線時(shí)，探針就起著“接收天線”的作用。

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

1 波導(dǎo)-微帶雙探針結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理

對于波導(dǎo)-微帶能量相互正交的場合，上述傳統(tǒng)模型是可以滿足需求的，因?yàn)樾盘栐诓▽?dǎo)-微帶中的傳輸方向是相互垂直的。對于波導(dǎo)-微帶能量相互平行的場合，通常需采用波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶過渡結(jié)構(gòu)或波導(dǎo)-對脊鰭線-微帶過渡結(jié)構(gòu)，但波導(dǎo)-脊波導(dǎo)-微帶過渡不易實(shí)現(xiàn)脊波導(dǎo)與微帶的有效連接，波導(dǎo)-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(shí)際工程中的應(yīng)用需求。

為了解決上述問題，本文對傳統(tǒng)波導(dǎo)-微帶探針結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，提出了一種新型波導(dǎo)-微帶雙探針過渡結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，如圖2所示。該設(shè)計(jì)采用雙探針對稱放置方式，探針距短路面1/4λ，通過波導(dǎo)90°轉(zhuǎn)角彎頭，使能量在波導(dǎo)-微帶中的傳輸方向相互平行。該設(shè)計(jì)的另一個(gè)優(yōu)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(shè)計(jì)在充分實(shí)現(xiàn)上述功能的同時(shí)，保持了體積較小的優(yōu)勢。

實(shí)際應(yīng)用中，工程器件的總體高度為18mm，輸入波導(dǎo)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(dǎo)短路面和90°轉(zhuǎn)角彎頭間提高波導(dǎo)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(dǎo)自身的厚度。為了降低插入損耗，使信號能夠順利通過90°轉(zhuǎn)角，本文設(shè)計(jì)中采用了波導(dǎo)匹配階梯結(jié)構(gòu)。

圖2設(shè)計(jì)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(dǎo)寬邊開槽的位置，表示波導(dǎo)短路面的圓切角半徑，表示波導(dǎo)90°轉(zhuǎn)角的圓切角半徑，和表示階梯波導(dǎo)的寬度，和表示階梯波導(dǎo)的高度，表示波導(dǎo)短路面窄邊寬度。 r1表示探針的內(nèi)導(dǎo)體柱半徑，其中r1=0.3mm；r2表示探針的外導(dǎo)體柱半徑，其中r2=1.0mm；中間介質(zhì)層為Roger公司的Duriod 5880基片，介電常數(shù)。

2 設(shè)計(jì)與優(yōu)化分析

工程應(yīng)用中使用HFSS作為設(shè)計(jì)軟件，以圖2為基礎(chǔ)建立設(shè)計(jì)模型，幾何三視圖如圖3所示。

產(chǎn)品組件的測試結(jié)果見圖4。在14～18GHz頻帶范圍內(nèi)的測試結(jié)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(shù)據(jù)證明了該產(chǎn)品組件滿足實(shí)際工程應(yīng)用的需求。

3 結(jié)語

本文提出了一種新型波導(dǎo)-微帶雙探針設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)使波導(dǎo)-探針內(nèi)信號的傳輸方向相互平行，并利用了雙探針結(jié)構(gòu)，集成了功率分配器的功能。該過渡結(jié)構(gòu)在14～18GHz頻帶內(nèi)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(yīng)用價(jià)值。本文產(chǎn)品組件設(shè)計(jì)在雷達(dá)、通訊、電子對抗等系統(tǒng)的應(yīng)用中均可發(fā)揮重要作用，目前已成功應(yīng)用于某有源相控陣?yán)走_(dá)T/R組件中。

參考文獻(xiàn)

[1]薛良金.毫米波工程基礎(chǔ)[M].北京：國防工業(yè)出版社，1998.

[2]趙陽陽，江兆平，向培勝.新型波導(dǎo)-微帶對脊鰭線過渡設(shè)計(jì)[J].電訊技術(shù)，2008，48（7）：46-49.

[3]Ho T Q， Shih Y C， Shih Y C. Spectral-domain analysis of E -plane waveguide to microstrip transitions[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques， 1989， 37（2）：388-392.

[4]Lee H， Itoh T. A systematic optimum design of waveguide-to-microstrip transition[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，1997，45（5）：803-809.

[5]Leong Y C， Weinreb S. Full Band Waveguide-to-Microstrip Probe Transition[C].Microwave Symposium Digest，1999.IEEE MTT-S International， Anaheim，1999，1435-1438.

[6]張榮揮，唐小宏，何宗銳.Ka波段寬帶波導(dǎo)—微帶探針過渡設(shè)計(jì)[A].中國電子學(xué)會(huì).2003'全國微波毫米波會(huì)議論文集[C].中國電子學(xué)會(huì)：中國電子學(xué)會(huì)微波分會(huì)，2003：4.