一种Ka波段宽带波导-微带转换器的研制

宋志东 张国强 崔 敏

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

毫米波雷达系统由于其高分辨率和大气传播的低损耗特性等优点，最近受到了越来越多的关注。在毫米波系统中，为了减小传播损耗和抑制高次模，波导系统取代了同轴系统，直接与微带电路连接。因此波导微带转换器成为毫米波系统中一种非常重要的元器件，其关键指标驻波与插损直接影响雷达系统的各项参数如噪声系数、发射功率等。

对于不同传输系统间的能量转换，转换电路首先要能完成电磁场结构转换功能;其次还应该具有插损小、驻波低、足够的工作带宽、结构简单、一致性好等指标和设计要求［1］。目前工程上常用的转换结构主要有鳍线过渡［3］、小孔耦合［4］、脊波导过渡以及微带探针［5-6］等方式。在Ka 波段，这些结构均能在30%左右带宽内获得良好的性能指标，但是在实际应用中都存在一些缺陷。就上述结构中的鳍线过渡而言，其装配难度较大，重复性差，连接过松将会影响过渡电路性能，太紧则会损坏微带电路。而且过渡电路的结构导致微带电路不能密封，不适宜用在环境要求严格的军用雷达上;而其他三种结构存在带宽窄，同样不能气密等缺点。

本文的设计针对于上述问题，提出了一种宽带的波导微带转换器，所采用的技术方案是:先采用一个波导同轴过渡结构将传输线从波导转换成同轴系统，再通过同轴微带过渡结构完成转换。相对于其他过渡形式，这种结构的优点在于其工作频带较宽，可以覆盖全频带;并且气密性较好，可以对微带电路中的芯片等器件起到很好的保护。

1 基本原理

由图1 可知，本文的波导微带转换器分为两个部分:波导同轴过渡、同轴微带过渡。

图1 波导微带转换器原理图

1．1 波导同轴过渡

波导同轴过渡结构形式多种多样，各有优缺点。本文采用了同轴探针型过渡结构，并加大了探针在波导腔内的尺寸，减弱了波导的高阻特性，以减小阻抗对频率变化的敏感性，从而展宽了过渡结构的频带。

图2 波导同轴转换正视图

图3 波导同轴转换侧视图

图2 和图3所示为同轴探针在波导腔内的电场分布示意图。其中A、B分别为波导的长宽，h为探针探入波导的尺寸，L为探针距离波导短截面的距离。为了获得最好的耦合效果，同轴探针直接从波导E 面的中心探入。在只考虑TE10模的前提下，此时波导的输入阻抗为［7］:

上式中，Z0为同轴线的特性阻抗;通过选择合适的探针探入尺寸h以及探针距短路面距离L，可以使波导阻抗的实部R尽量接近同轴线特性阻抗Z0，从而使尽可能多的能量耦合到波导内。

通过计算与实验可以确定，当探针距离波导短截面的距离L=1/4λ 时，反射波和入射波在探针处同相叠加，此时反射系数Γ ≈1，当探针长度h=B/2 时，R与同轴线的特性阻抗一致，此时同轴系统与波导系统间的转换效率最高［1］。

1．2 同轴微带过渡

本文中同轴微带过渡结构是将同轴探针从微带线底面穿入直到微带线正面传输线。为了减小过渡结构的插损，必须避免同轴线中高次模的出现，使同轴线中只有横电磁波传输。同轴线中最低的(即截止波长最长的)高次模是TE11模。为了避免高次模出现，同轴线的尺寸和工作波长应该满足下式:

其中a和b分别为同轴线的内外半径，λ0为工作波长，εr为同轴线介质介电常数［3］。

由于同轴线与微带线连接处有明显的阶梯状不连续性，为了展宽过渡结构的工作带宽，本文在探针与微带之间加入了一段空气过渡来匹配同轴线与微带线。从仿真与测试结果来看，效果良好。

2 仿真设计与实验结果

本文在微波仿真仿真软件HFSS 中建立了如图4所示的波导微带转换器的结构模型，波导口为BJ320 标准，A=7.112mm，B=3.556mm。微带板采用Rogers5880，εr=2．2，厚度0.254mm。为了减小误差，模型采用了直径0.5mm 的圆形倒角。

根据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

仿真后发现，该初始值的S 参数并不是很好。为了增加工作带宽和减小驻波，利用HFSS 软件对模型进行优化仿真(见表2)。优化过程中发现适当加大同轴探针的尺寸可以减小驻波，而合适的空气腔尺寸则可以扩展工作带宽。

最后得到的结构图与仿真结果如图4、5所示:

图4 波导微带转换器结构模型

图5 波导微带转换器结构仿真结果

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表2 模型优化值

从结果中可以看出，整个过渡器在26.5GHz ～40GHz 全频带范围内有良好的性能，驻波系数≤1.3，插入损耗≤0.2dB，基本满足设计要求并留有一定余量。

在转换器中，由于同轴探针以及空气腔过渡这两个部分的加工精确度对性能影响较大。为了避免后期调试，样品试制中专门制作了一个圆环片来完成空气腔过渡部分、并采用了订制的同轴探针以确保精度，简化装配难度。

根据仿真结果制作样品，样品采用铝加工，表面导电氧化处理，为了方便测试，制作成了背靠背的结构，如图6所示。

用安捷伦矢量网络分析仪5244A 测试转换器样件，在Ka 频段内，测试数据见图7。

图6 转换器样品图

样件的测试结果如图7所示，在样件的安装过程中，由于空气过渡环的安装有一点的偏差，空气过渡腔与同轴探针同心度不好，导致相关指标出现了一定的恶化，后续可以考虑将空气过渡环与同轴探针一体加工，进一步精简工艺，提高转换器性能。

从图7 中可以看出，转换器在26.5GHz ～40GHz 工作频带内，驻波系数≤1.4，单只插入损耗≤0.45dB，满足工程应用要求。

3 结论

本文介绍了一种覆盖整个Ka 频段的宽带波导微带转换器的设计方法。与其他相类似的过渡结构相比，其主要优点有:宽频带、低驻波、加工简单、批量一致性好。设计中采用的新型探针结构以及空气腔过渡结构有效的保证了转换器的宽频带特性。在大批量生产中可以采用订制的同轴探针，简化加工工艺，减少调试量，保证性能的一致性。

图7 波导微带转换器背靠背测试结果图

［1］薛良金.毫米波工程基础［M］.北京:国防工业出版社.1999.

［2］David M.Pozar.微波工程［M］.北京:电子工业出版社.2006.

［3］张国强，王洁.一种Ka 波段微带-波导转换的设计［J］.火控雷达技术，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.导波场论［M］.侯元庆译.上海:上海科学出版社，1966.