EHF波段波导微带探针过渡结构研究

李 硕

(中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

随着卫星通信技术发展，频谱资源的紧张，EHF频段将会是下一代通信卫星的优选频段［1］。目前，美国的MILSTAR军事通信卫星使用EHF频段(44/20 GHz)，上行链路使用43.5～45.5 GHz，2 GHz带宽。

在毫米波电路和系统中矩形波导为常用传输线。随着毫米波技术的发展，毫米波混合集成电路与单片集成电路广泛应用，微带线作为连接 MMIC的传输线，成为重要的传输媒介。因而研制结构简单、插入插损低的波导－微带过渡结构是工程中重要的问题［2］。

常用的波导与微带转换有矩形波导－脊波导－微带过渡［3］、矩形波导 －对脊鳍线 －微带线过渡［4］、波导－同轴探针 －微带过渡［5］和波导 －微带探针过渡［6，7］等。其中，矩形波导－脊波导 －微带过渡加工复杂，损耗大;矩形波导－对脊鳍线－微带线过渡易于产生谐振模式，可能产生耦合影响器件性能;波导－微带探针过渡由于具有插入损耗低、可用频带宽、机械结构简单、体积小和可靠性高等特性而被广泛采用［8］。

本文设计了两种波导－微带探针过渡结构，通过电磁软件仿真优化，实际加工测试，在38～50 GHz频带宽度内，实现了插入损耗小于1 dB，回波损耗大于20 dB的性能指标，具有毫米波电路工程实用价值。

1 过渡结构原理分析

波导－微带探针过渡是从波导－同轴探针发展而来，即在矩形波导的宽边上进行开缝，在缝隙中插入一段微带线即微带探针以起到耦合作用，从而将矩形波导中的所有电场能量全部耦合到微带探针上，完成过渡作用。当从矩形波导过渡到微带时，微带探针就相当于接收的微带天线，将矩形波导中的电场能量接收到微带线上;而当从微带过渡到矩形波导时，微带探针相当于发射的微带天线，将微带中的电场能量发射传输到矩形波导中。

当从矩形波导过渡到微带时，沿微带探针方向，矩形波导具有非零的电场模式，比如TE模式在微带探针上激励出电流，从而激励起电磁场，将矩形波导内的电场能量传输到微带线上;同理，当从微带过渡到矩形波导时，微带线上的准TEM模在矩形波导激励起电流，从而激励起相应的电场模式。

波导－微带探针过渡有两种常用的形式:一种是微带平面的法向与矩形波导内电磁波的传播方向平行，称之为H面过渡结构［9］，另一种是微带平面的法向与波导内电磁波的传播方向垂直，称之为E 面过渡结构［10］，如图1所示。

图1 波导微带探针过渡结构

由电磁场的理论可知:任意一个沿微带探针方向的具有非零电场的模式能在微带探针的表面激励起电流，从而产生准TEM模;根据互易定理，当微带探针上准TEM模也能在波导产生电流，同样激励起微带探针方向的非零电场模式。为了和矩形波导的主模TE10耦合最紧，根据矩形波导与微带模式电场的场分布特点，微带探针从矩形波导宽边的中心插入，相当于放置于矩形波导电场强度的最大处。由于微带探针的末端电流为零，可以假设其电流是均匀按正弦驻波分布，那么微带探针上的电流是无限细的线电流形式，可以表示为:

式中，d为微带探针插入到矩形波导内的长度(0≤y≤d)，可以由此求出微带探针的底部的输入电阻为:

式中，ps为辐射到波导的功率值;wm－we为高次模激励的存在于探针周围所储无功能量的净时间平均值。用已求得的ps可得微带探针的辐射电阻为:

同理，可得TE10模对总的输入电抗为:

式中，Z0=;β10为传播常数。

从上式可看出:Rin，Xin随参数l(短路活塞的距离)和d(微带探针插入波导内的长度)的变化而变化，通过调整Rin使其等于微带线的特性阻抗，并调整Xin以抵消波导激励高次模的电抗，这样使微带探针在波导内处于电场最大值位置，因为需要波导内形成驻波，那么波节间距离为λ/2，所以波导终端短路活塞的距离取λ/4，可以达到最高的能量耦合效率，使其微带探针与波导之间的传输功率达到最大值。在微带探针设计中，微带探针的输入阻抗是微带探针的宽度、长度、波导终端短路活塞的距离以及频率的函数，由于微带探针具有容性的电抗，一般会用一段高感抗的微带线抵消其电容效应，这样做牺牲频带宽度来实现低插入损耗，再利用1/4阻抗变换器实现与50 Ω标准微带线的阻抗匹配。矩形波导通过一个过渡腔与后面的电路腔体相连，该过渡腔的尺寸需要合理设计，既要将电磁场能量约束在微带线上，并抑制其高次模的传输，同时拥有足够的腔高，以免影响微带线的准TEM模式的场结构。波导－微带过渡的性能好坏主要还是取决于插入波导内的微带探针的尺寸大小、与波导终端短路活塞的距离、阻抗变换微带线的尺寸以及过渡腔的尺寸，这几个参数是波导－微带过渡设计的重点。

2 过渡结构设计及仿真

工作频段42～46 GHz，转换插入损耗小于0.5 dB，回波损耗大于15 dB，包括E面波导微带过渡和H面波导微带过渡。

2.1 波导、介质基板及基本参数选择

介质基片既是微波电磁场传输媒介，又是电路支撑体，所以选择合适的介质基片对波导－微带过渡的性能有较大的影响。一般对介质基片要求是具有损耗角正切小、表面的光滑度高、硬度强度高以及韧性好等特点。根据以上原则，选择采用0.254 mm厚、介电常数为2.2的Rogers 5880的介质基片。

50 Ω的标准微带线，金属层厚度约为0.018 mm，根据介质基片的介电常数和厚度，可以计算得到中心频率44 GHz处的标准微带线宽为0.777 mm。采用 EHF频段标准矩形波导 BJ400(WR22):宽边为5.69 mm，窄边为2.845 mm。

截止波长则由λc=2a可得λc=11.38 mm。再根据波导波长公式:

可得，EHF波段中心频率44 GHz处的波导波长为8.52 mm，所对应的1/4波长就是2.13 mm，也就是微带探针到波导终端短路活塞的距离的理论值。

2.2 模型仿真及优化

在基于有限元方法的电磁场仿真软件平台Ansoft HFSS中对两种过渡结构进行建模，根据2.1节得到的基本参数，将模型中的几何参数设定初值之后，再进行电磁仿真与优化。

经过初步仿真，发现高阻抗线与标准50 Ω阻抗线之间可以不需要四分之一阻抗变换器，也能得到满足设计要求的仿真结果。因此在传统的探针形式上改变，最终在微带探针与标准50 Ω阻抗线之间只有高阻抗线完成宽带的阻抗匹配，实现低插入损耗的变换，并且简化了微带电路设计。

考虑工程实际中存在机械加工、装配的误差和印制电路的误差，尤其在这么高频率的毫米波频段，这些误差对转换器的电性能影响大，特别是带宽的偏移。因此，在仿真中将波导－微带探针过渡的工作带宽从42～46 GHz拓展为38～50 GHz，保证了误差带来的频带偏移不影响工程应用的频带。

实际测试中不可能对单个波导－微带探针过渡进行测试，必须采用测试背靠背过渡模型的插入损耗来算单个过渡的插入损耗。在仿真设计中，先针对单个波导微带探针过渡进行仿真，等优化好之后，需要再对波导－微带探针过渡的背靠背模型进行仿真，以求最终的实测结果来验证电路设计的准确性。

通过HFSS优化后，最后得出了模型结构的主要参数和对应的尺寸如表1和表2所示。wf为50 Ω标准微带线宽度，wp为微带探针的宽度，lp为微带探针的长度，wt为高阻抗线的宽度，lt为高阻抗线的长度，d为探针中心到矩形波导短路面的距离，wq为屏蔽腔的宽度，hq为屏蔽腔的高度。

根据表1和表2中的参数建立的过渡模型、仿真结果，以及E面波导微带探针过渡结构和H面波导微带探针过渡结构分别如图2和图3所示。

表1 E面微带探针过渡模型参数

图2 E面波导－微带过渡背靠背模型及仿真结果

表2 H面微带探针过渡模型参数

图3 H面波导微带过渡背靠背模型及仿真结果

从仿真结果看出，E面过渡与H面过渡的背靠背模型，在38～50 GHz频带内，回波损耗均大于21 dB，插入损耗均小于0.3 dB，满足设计要求，可以加工制作。

在仿真优化设计过程中总结了几点，可以指导以后的波导微带过渡结构设计:①波导短路活塞的距离、微带探针的长度影响波导微带过渡的中心频率，微带探针的宽度影响波导－微带过渡的带宽，可以根据仿真结果来进行手动的有效调整以上尺寸，从而得到满足设计的电路;②高阻抗线的尺寸影响标准微带线与微带探针的阻抗匹配，在电路设计中需要优化的重点参数;③电路屏蔽腔的大小决定波导－微带过渡在工作频带的谐振;④选取波导短路活塞的距离，其经验值应该选取的值是小于2.2节计算的理论值，且大于中心频率自由空间波长的1/4。

3 实物加工及测试

根据电磁模型仿真优化后的结果，对2种波导－微带过渡结构进行了实物加工。采用波导－微带－波导结构进行测试EHF波段波导－微带过渡的性能，那么波导微带探针过渡的插入损耗约为测试结果的一半。所加工的实物如图4所示，实测结果如图5所示。从测试结果看出，两种波导－微带过渡结构在38～50 GHz频带内，背靠背的插入损耗小于1 dB，回波损耗大于20 dB。背靠背的插入损耗包含了中间一段约10 mm的微带传输线的损耗，在扣去该损耗后，在38～50 GHz频率范围内，波导微带过渡的插入损耗约为0.3 dB，满足研制要求。

两实测结果比较，H面波导微带过渡结构的插入损耗较E面波导微带过渡结构的大了约0.15 dB，这并不是过渡结构的理论性能差异，而是H面的背靠背结构比E面背靠背结构中的50 Ω标准微带线长了约10 mm，所以其测试结果要差一些。

图4 波导微带探针实物

将实测结果与仿真结果比较可以看出，插入损耗S21比仿真结果增大了，且S11的频带有所偏移，造成的原因主要是由于电路、腔体的加工及装配的误差和电路基片人工切割、粘接时的误差所致。但是实测结果能够满足系统使用要求，这两种波导－微带过渡结构可以根据实际情况，有选择地在工程上使用。

图5 实物测试结果曲线

4 结束语

研制了两种中心频率为44 GHz、带宽为12 GHz的波导－微带探针过渡结构，通过HFSS高频三维电磁场仿真软件对波导－微带探针过渡进行了仿真和优化，获得了较好的结果。最终经过实物的加工和测试，验证了仿真结果的准确性，满足工程应用要求。从仿真和实测结果分析，两种波导－微带过渡结构均具有低插损、小体积和结构简单的优势，可在毫米波混合集成电路如变频组件［11］、功率合成放大器［12，13］等得到广泛的应用，对于提高微波毫米波系统的性能有很大的帮助。 ■

［1］贾世旺.EHF频段上变频器设计及实现［J］.无线电通信技术，2010，36(3):37 －39

［2］薛良金.毫米波工程基础［M］.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004.

［3］ZARBAG，BERTIN G，BESSO P.AnOptimised Waveguide to Microstrip Transition at K Band［C］∥26th European Microwave Conference，1996:836 －838.

［4］HEUVEN V，J H C.A New Integrated Waveguide-Microstrip Transition［C］∥European Microwave Conference，1974:541－545.

［5］WANG Kang-han，CHEN Zhi-hong，ZHOU Yu-mei，et al.A Novel Coaxial Probe Waveguide to Microstrip Transition Microwave Conference Proceedings［C］∥APMC2005 A-sia-Pacific Conference Proceedings，2005:3 －9.

［6］李 硕，杨志国，杨锁强，等.用于热备份的 Ka频段30 W功放系统研制［J］.无线电通信技术，2013，39(5):59－62.

［7］朱大红，齐 锋.Ka波段波导 －微波转换器的设计［J］.微波学报，2008，24(增刊):141 －144.

［8］甘仲明，张更新.毫米波通信技术与系统［M］.北京:电子工业出版社，2003.

［9］SHIH Y C，TON T N，BUI L Q.Waveguide to Microstrip Transitions for Millimeter Wave Applications.Microwave Symposium Digest［J］.IEEE MTT-S International:1988(1):473－475.

［10］TIKHOV Y，MOON J W，KIM Y J，et al.Refined Characterization of E-plane Waveguide to Microstrip Transition for Millimeter-wave Applications［C］∥Microwave Conference，Asia-Pacific，2000:1187 －1190.

［11］陈焕东.Ka频段上变频模块设计［J］.无线电工程，2011，41(9):58 －62.

［12］LI Shuo，YANG Zhi-guo，JIA Shi-wang，et al.Development of EHF-band 10 W Solid-state Transmitter［C］∥20125th Global Symposium on Millimeter-Waves GSMM，2012:220－223.

［13］刘丽浩，王 斌.50 W Ka频段固态功率放大器设计［J］.无线电工程，2013，43(11):46－49.