基于基片集成波导的Ku波段波导微带转换结构

陈 伟，王海彬，文瑞虎，王中洋，李红英

（机电动态控制重点实验室，陕西 西安 710065）

0 引言

波导微带转换结构是一种重要的转换结构，在微波领域有着十分广泛的应用。传统的波导转微带结构有波导／脊波导／微带过度、波导／对鳍线／微带过度、波导／微带探针过度三种类型［1］。传统转换结构都是二端口器件，其中一端连接微带，另一端与波导相连。针对传统的波导转微带结构复杂，加工难度大，破坏波导中场结构的问题，本文提出了基于基片集成波导的波导微带转换结构。

1 传统波导微带转换结构与基片集成波导结构

1.1 传统的波导微带转换结构

传统的波导转微带结构有三种：波导／脊波导／微带过度、波导／对鳍线／微带过度、波导／微带探针过度［1］，都是二端口的转换结构。

波导／脊波导／微带过度是通过在波导腔体中加金属脊，形成渐变的场强结构，使波导输入的信号通过逐级耦合到微带上［2－3］。波导／脊波导／微带过度与波导传输方向一致，可以很方便地加入到电路中。波导／对鳍线／微带过度通过在波导中设计鳍线实现波导到微带的过度。原理与脊波导转换类似，只是脊波导中转换结构加工成金属脊，而对鳍线中加工成鳍线。波导／微带探针过度是在波导壁上开缝，将微带过度结构当作探针插入到波导腔体中，实现波导到微带的过度。一般有两种方式：一种是微带面与信号传播方向平行，一种是与传播方向垂直［4］。

波导／脊波导／微带过度和波导／对鳍线／微带过度波导和微带传播方向一致，这对器件连接很方便。但波导／脊波导／微带过度加工复杂，而波导／对鳍线／微带过度尺寸较大，损耗较大，在空间比较紧凑的地方很少使用［4］。波导／微带探针过度较前两种简单，但微带探针通过开槽插入波导之内，会在一定程度上破坏波导的场的特性［2］。

1.2 基片集成波导结构

基片集成波导（SI W）结构最早于1992年由一位日本学者提出，随后在1997年有相关的文章报道这种结构，称为栅格波导［3］。基片集成波导是一类新型的传输线结构。基片集成波导具有与传统矩形波导相近的特性，如品质因素高、损耗低等，同时较传统的波导更为紧凑，具有体积小、重量轻、易加工、易集成的优点［5－6］。

基片集成波导的结构如图1所示：两排金属化通孔的中心间距为a，金属化通孔的直径和间距分别为d和p，介质基片的厚度和介电常数分别为h和ξr。电磁波在介质基片的上下金属面和两排金属化通孔所围成的矩形区域内以类似于介质填充矩形波导中的场模式传输，如图2所示。

图1 基片集成波导结构Fig.1 The str ucture of SI W

2 基片集成波导场分布图Fig.2 Filed overlay of SI W

2 基片集成波导转换结构

基片集成波导转换结构如图3所示。波导中的信号经过基片集成波导下表面的耦合口将信号耦合到基片集成波导中，之后通过上表面的微带渐变阻抗匹配段，匹配到50Ω微带线输出，实现波导到微带的转换。

图3 基片集成波导转换结构Fig.3 The conversion str uct ure of SI W

基片集成波导转换结构上下表面如图4和图5，其中的阴影部分是金属。整个转换结构上表面由基片集成波导、微带匹配结构和50Ω微带输出三部分。其中微带匹配采用了锲型的结构将基片集成波导与微带输出相匹配。

图4 基片集成波导转换结构上表面结构Fig.4 The positive conversion str ucture of SI W

图5 基片集成波导转换结构下表面结构Fig.5 The negative conversion str ucture of SI W

转换结构的下边面的耦合口与波导相连，中间是一个辐射贴片。由于波导与基片集成波导电场传播方向是相互垂直的，故需经过辐射贴片的作用，将波导中的信号耦合到基片集成波导中，实现转换。整个转换结构是左右对称的，因此在微带的两个输出端获得的信号是原波导中信号的一半。此转换结构兼有功分的作用，是三端口器件。

3 仿真及实测结果

3.1 基片集成波导转换结构的仿真

本文设计了Ku波段波导－微带线转换器，利用全波仿真软件HFSS对图4和5中的结构参数进行了仿真优化。

介质板采用Rogers5880，介电常数为2.2，厚度为1 mm。波导采用BJ-140标准波导，整个转换结构的中心频率为12.3 GHz。HFSS仿真模型图如图6，仿真结果由图7和图8给出。

由图7的S参数仿真结果可知 ，在11.5～12.5 GHz的频带内该系统的反射参数S11都低于－10 d B，在12.3处S11达到最优为－28 d B。传输参数S21小于－4 d B。由于微带口输出是原波导信号的一半，故S21理论上为－3 d B。S21与S31重合，说明两个输出口信号相等。且由图中可见差损优于0.5 d B。由图8中系统电压反射参数（VSWR）可以看出，在11.5～12.5 GHz的频带内都低于2，满足实际要求。

图6 转换结构HFSS仿真模型Fig.6 The conversion structure HFSS si mulation model

图7 S参数仿真结果Fig.7 S-parameter simulation results

图8 VSWR仿真结果Fig.8 VSWR si mulation results

3.2 基片集成波导转换结构的实物测试

本文根据仿真的参数制作了基片集成波导转换结构的实物并对其进行了测试如图9。图9的上部分为实物的正面和反面，下部分为实物测试的结构。其中基片集成波导直接粘在BJ-140直波导的法兰盘上。转换结构上表面焊接SMA接头，测试中一端先接50Ω匹配负载，另一端输出，其下表面连接了BJ-140的直波导，之后再接Ku波段波导同轴转换接头。

经过矢量网络分析仪的测试，结果如图10、图11和图12。

由图10和11中的S参数可以看以看出，在11～12.5 GHz的频段内S11＜－10 d B（图10中参考点为－10 d B），在对应的频带内S21≥－5 d B（图11中参考点为－5 d B），其中最小是－4 d B。电压反射参数（VSWR）11～12.5 GHz的频段内也小于2（图12中参考点为2）。故仿真与测试结果基本一致，符合基片集成波导转换结构的设计要求。

图9 基片集成波导转换结构实物Fig.9 The concrete conversion structure

图10 反射参数S11实测结果Fig.10 The concrete reflecting parameter results

图11 传输参数S21实测结果Fig.11 The concrete conversing parameter results

图12 VSWR实测结果Fig.12 The concrete VSWR results

4 结论

本文提出了基于基片集成波导Ku波段波导微带转换结构。该结构利用耦合缝隙和贴片辐射技术，使通过背面馈入的波导信号经耦合进入基片集成波导，再通过微带输出。与传统的二端口转换结构不同，本文所设计的转换结构是三端口的。实验表明，这种转换结构利用基片集成波导作为微波传输结构，工作于Ku波段，具有1 GHz工作带宽。该转换结构在较宽的工作频段内差损优于0.5 d B，回波损耗大于20 d B，并且与微带平面电路匹配良好，可以集成加工到平面电路中去，具有结构紧凑、性能优良和易于加工等优点，可以应用于微波集成电路的设计中。

［1］波扎.微波工程［M］.张肇仪，译.北京：电子工业出版社，2006.

［2］徐鸿飞，孙忠良.一种新型毫米波集成波导微带转换的分析与设计［J］.固体电子学研究与进展，2004（2）：215-218.XU Hongfei，SUN Zhongliang.Analysis and design of a new type of milli meter wave integrated waveguide to micr ostrip transition［J］.Research ＆Progress of SSE Solid State Electr onics，2004（2）：215-218.

［3］李超.基于波导馈电的Ku波导集成波导缝隙阵列天线设计［D］.南京：南京邮电大学，2010.

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