H面波导到微带过渡结构设计＊

兰云鹏 吴景峰 王抗旱

（河北半导体研究所 石家庄 050051）

1 引言

波导由于其损耗小，功率容量大，Q值高等优点［1］，在毫米波测试和传输系统中得到广泛应用，而在毫米波电路中，波导的立体结构不便于集成，所以必须先过渡到平面传输线中。微带线作为最主要的平面传输线，具有结构简单、加工方便、易集成［2］等优点。因此波导与微带线之间的低插损过渡成为重点关注的问题。

波导－微带过渡结构多样，常见的过渡结构有：耦合探针过渡［3］、脊波导过渡［4］、对脊鳍线过渡［5］等。其中耦合探针过渡分为：电场耦合和磁场耦合。电场耦合采用的是在波导宽边插入E面探针的结构方式［6～7］。磁场耦合过渡目前国内少见报道，电子科技大学徐军教授等人在2010年提出了一种磁耦合的波导－微带转换结构［8］，该结构先利用偏心同轴线将微带中传播的准TEM模转化为TEM模，然后通过末端接地的半圆环金属条带在波导中激起TE10模，完成从微带到波导的过渡。本文在此提出另一种H面磁耦合波导－微带过渡结构。

2 结构

过渡结构如图1所示，探针从波导窄边开口处伸入波导体内，探针的接地点位于波导宽边中心，与印制在微带基板上的接地框相连。短路面位于探针上方。约束腔接于波导窄边开口处，截面尺寸与开口一致。

图1 波导－微带转换结构

在此过渡结构中，为了减小插损和回波损耗，在微带与探针之间设计一节高阻线进行阻抗匹配。

3 原理分析

如图1中，探针与接地框形成电流环路，当有高频的电流经过时，交变电流在环路中产生交变磁场，交变磁场在波导中产生交变电场，从而激起电磁波［9］。波导中激励起的电场和磁场分别满足麦克斯韦方程［10］：

假设波导内部探针表面电流密度J，波导腔中将激励起沿＋z和－z方向传播的TEmn波和TMmn波，总场E和H分别表示为

其中⊥表示横向分量，z表示纵向分量。

由于BJ320标准波导是按照单模设计，因此导中传播的只有主模TE10，其它高次模在波导中均截止。

对于TE10波，只存在沿z方向的磁场，z方向的电场为零，即Eiz＝0。因此沿＋z方向传播的TE10波的电磁场分部可以表示为

其中，kc为截止波数，与导行系统的截面形状、尺寸等物理特征相关。沿－z方向传播的TE10波只需把kzi换为－kzi即可。

由沿＋z方向传播的模式i振幅A＋i表示为

S为＋z方向传播的电磁波通过的截面积，同理将上式中A和E的上标“＋”改为“－”、“－”改为“＋”即可得出沿－z方向传播的电磁波振幅A－i。将式（5）～式（12）代入式（3）、式（4）中即得到激励起的电磁场E和H。

4 仿真及优化

本设计采用Ansoft公司的HFSS三维电磁仿真软件建模，并且对影响过渡性能的参数进行优化。

图2 HFSS仿真模型

模型采用BJ320标准波导，微带线基板Rogers 5880，介电常数2.2，厚度0.254mm，导体铜厚度17μm。模型如图2所示，在HFSS软件中，波导表面为理想界面，微带线空气腔部分设置为辐射面，以避免发生振荡影响仿真结果；约束腔的长度在尺寸允许的情况下足够长，使产生的高次模尽量衰减。

波导开口位置和大小、约束腔长度、短路面高度等受结构限制，因此首先要确定这三个参量。根据指标要求和参数扫描结果确定为：开孔大小2.6mm×0.83mm，短路面高度2.86mm，约束腔长度3.18mm。

图3 仿真结果

仿真结果如图3所示，整个Ka频段内，回波损耗S11＜－12dB，插损S21≥－0.3dB，其中30～38GHz范围内S11≤－20dB。从上结果看，30GHz以下和38GHz以上回波损耗不甚理想，还需要进一步优化并展宽频带。

为展宽带宽，有两种方法可供选折：一是将探针偏离中心位置，二是在探针侧面设计一谐振片，如图4所示。本设计选用第二种方法，经优化谐振片位置和大小、探针插入深度、探针宽度等参数得到如图5所示结果，在整个Ka频段内，插损S21≥－0.3dB，回波损耗S11≤－20dB，满足设计要求。

图4 增加谐振片模型

图5 增加谐振片仿真结果

5 测试结果及分析

为了验证上述仿真结果，制作一对背靠背实物，如图6所示，测试架采用普通铝质，表面抛光白色导电氧化。

测试架由盒体、方形压框、短路面三部分组成。盒体正面为一腔体，用于安装电路基板，背面为标准BJ320波导接口。压框将电路基板固定在腔体波导口处，压框内方形孔与波导尺寸一致，侧壁开口大小2.6mm×0.83mm，侧壁厚度3.18mm，压框与基板接触部分即图1中的接地框。短路面扣在压框上，短路面与基板距离即前面确定的2.86mm，最后用螺钉将压框和短路面固定于盒体上。

图6 波导－微带转换结构实物

图7 测试框图

图8 测试结果

测试使用矢量网络分析仪Aglient E8363B，测试框图如图7所示，为了测试方便添加两个波导－同轴转换。测试结果如图8所示：Ka波段高端测试结果不理想，这是因为受加工精度限制，波导内壁平整度不够，从而引起较大损耗；在26GHz～37GHz范围内，插损小于2.0dB，回波损耗大于7dB，其中30GHz～36GHz频段内插损小于1.7dB，回波损耗大于16dB，如果扣除两个波导－同轴转换带来的附加误差0.2dB，这得到在带宽为6GHz的窄带内插损小于1.5dB，回波损耗大于16dB。

对比图5和图8，实物测试插损和驻波均比仿真结果差，造成这种差别的原因除了波导腔体表面并非理想导电面外，还有盒体加工精度、装配误差等因素。

6 结语

本文提出了一种新的H面磁耦合波导到微带过渡结构，该结构从波导短边垂直插入耦合探针，加工样件测试在30GHz～36GHz频率范围内插损小于1.5dB，回波损耗大于16dB。该结构具有节省电路面积，插损小，频带宽，易实现等优点，为微波毫米波电路系统的设计提供了一种可选方案。

［1］蒲大雁，李晓辉，徐军.一种基于磁耦合原理的毫米波矩形波导－微带过渡［J］.微波学报，2010，26（6）：81－84.

［2］赵春晖，杨莘元.现代微波技术基础［M］.第二版.哈尔滨：哈尔滨工程大学出版社，1999：78－82.

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［8］Jun Xu，Tao Ye，Da Yan Pu.A Rectangular Waveguide－Microstrip Transition Based on the Principle of Magnetic Coupling for Millimeter－wave［C］／／Microwave Technology and Computational Electromagnetics，2009：225－227.

［9］王家礼，朱满座，路宏敏.电磁场与电磁波［M］.西安：西安电子科技大学出版社，2000：119－145.

［10］David M.Pozar.微波工程［M］.第三版.张肇仪，译.北京：电子工业出版社，2009：4－14.