Ku频段波导微带转换的设计与分析

陈小忠，闫书保（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）

Ku频段波导微带转换的设计与分析

陈小忠，闫书保
（广州海格通信集团股份有限公司，广州 510663）

0　引言

随着微波技术的发展，往往要求能量在不同的介质中进行传输。而且微带线正逐步取代金属波导，成为微波电路小型化的重要部分。就目前而言，波导微带过渡主要有脊波导、过渡鳍线、微带探针等几种形式。脊波导与微带的连接通常采用硬压力接触，这就导致其性能与压力接触相关，所以其可靠性较差。鳍线存在较多的电磁波模式，而且对其进行抑制较为困难，另外，鳍线在截至频率时会产生一个纯电抗特性的源阻抗或负载阻抗，使有源器件处于不稳定区域，容易出现自激。微带探针形式是目前应用较为广泛的波导微带转换的方式之一，它具有插入损耗低，回波损耗小，频带宽，结构紧凑和易于加工装配等优点。

1　波导微带转换的基本结构

探针型波导微带转换有两种结构形式，一是微带探针与波导窄壁垂直，一是微带探针与波导窄壁平行，微带探针从波导的宽边插入波导，从而形成电探针的形式。波导微带的转换结构如图1所示。

2　波导微带转换的基本理论

微带线插入波导腔体，形成探针激励。任何一个沿微带探针方向具有非零电场的波导模都将在微带探针上激励起电流。根据互易定理，当微带线上的准TEM模向波导入射时产生的激励电流也将激励起同样的波导模。根据波导的基本理论，TE10模是模的基模，同时，它也是矩形波导总的基模。在绝大多数的工程应用中，我们选择波导的工作频率和尺寸，使得其中只有基模，即TE10模。为了与矩形波导的基模TE10模耦合最紧，微带探针应从波导宽边中心插入，使其置于TE10模电场最大位置处。

图1　波导微带转换的两种结构形式

对于微带探针而言，其末端的电流必须为零。一般地，探针的尺寸都很小，因此，对于细微带探针而言，其上面的电流分布可以近似成正弦分布。那么，微带探针上的电流分布形式如式（1）所示。

其中，D为微带探针插入波导的深度。微带线的输入阻抗如式（2）所示。

式中，P为辐射到波导中的功率，Wm-We是由高次模激励并存储在探针附近的无功功率。通过计算输入阻抗，得到探针的辐射阻抗如式（3）所示。

从公式（3）中可以看出，探针的辐射阻抗跟L（短路活塞的位置）和L（微带探针的插入深度）有关，在仿真过程中，通过调整这两个参量，来调谐微带探针的特性阻抗。

从公式（2）可以看出，微带线的阻抗中包含一个电抗部分jXin，它会影响微带线到波导的功率传输效果。因此，在实际的设计中，我们会在微带探针和微带传输线之间加一个可调电抗枝节，通过对该枝节的调整，来部分抵消jXin，从而改善波导微带的阻抗特性。

3　波导微带转换的仿真与设计

在了解了波导微带转换的基本结构和工作原理之后，本文利用HFSS仿真软件对其进行建模仿真。在波导微带转换中，为了达到功率的最佳传输效果，在具体的设计时，有两个方面需要考虑，一是电抗调谐高阻线；一是转换部分的约束腔。由于微带探针过渡产生附加电抗，如果不加以处理，那么就会对波导微带过渡的性能有很大的影响。常用的方法是在探针后面串联一段高阻线，用来抵消过渡探针的附加电抗，然后再利用1/4波长阻抗变换器，实现高阻线到50欧姆微带传输线的阻抗匹配。

约束腔的主要作用是将传输的能量集中在微带线上，并抑制高次模。约束腔的尺寸选择要适当，一方面要保证对高次模的抑制，一方面又不能影响微带线上的微带场分布。微带探针要放置在距离波导短路面约1/4波长处，这样可以保证微带探针在波导内处于最大电压（电场最强）处。

单端波导微带转换的HFSS模型如图2所示，该模型采用图1（a）的结构形式，即微带探针与波导窄壁垂直。该波导微带转换的工作频率为Ku频段，波导采用标准的矩形波导WR75，微带基材采用CLTE-AT高频板，厚度为0.508mm，εr=3.0。根据前面的理论分析，经过仿真与优化，其S参数仿真曲线如图3所示。

图2　单端波导微带过渡的HFSS模型

图3　波导微带转换的HFSS仿真的回波及差损曲线

从图3可以看出，该微带—波导转换HFSS模型的回波S11在工作频段内小于-30dB，插损（S21）小于0.05dB。

为了方便对实物性能的测试，需要两个同样的波导微带转换结构背靠背。其HFSS模型如图4所示。从图4可知，两端是波导微带转换，中间是腔体。在仿真过程中发现，腔体的尺寸会对仿真结果产生很大的影响。经过对腔体尺寸和其他参数的仿真优化，两端口波导微带转换的S参数仿真结果如图5所示。

图4　两端口波导微带转换的HFSS模型

从图5可以看出，在所需工作频段内，回波在-30dB以下，差损小于0.3dB。

图5　波导微带转换的HFSS仿真结果

4　实物测试与分析

在完成最终的仿真优化之后，下一步就是依据仿真得到的尺寸，委托结构厂家和PCB厂家进行加工。由于该波导微带转换的工作频率是Ku频段，结构或者PCB的加工精度对测试结果有很大的影响，这从仿真优化阶段也可以体现出来。因此，在委外加工中，一定要对厂家的加工精度提出要求。

最终加工出来的结构实物如图6所示，PCB实物如图7所示，测试系统如图8所示。在图8中，结构两端的部分为WR75型波导同轴转换标准件。波导微带转换的回波测试如图9所示，波导微带转换的差损测试如图10所示。

图6　波导微带转换结构实物图

图7　波导微带转换PCB实物

从实测结果来看，在Ku发射频率范围内，回波在-18dB以下，系统总的差损小于1.1dB，通带内差损的波动约0.1dB，满足实用的要求。系统总的差损包括两个标准WR75波导同轴转换测试件，两个波导微带转换端口，以及一段直通的微带线。一般地，标准WR75波导同轴转换测试件的差损约为0.2dB，再除去直通微带线约0.1dB的差损，那么，单个波导微带转换的差损约为0.3dB，可以应用在该频段的上变频器电路中。

图8　波导微带转换系统测试图

图9　回波测试曲线

图10　差损测试曲线

本文从理论上分析了波导微带转换的基本原理，并用HFSS软件对其进行了仿真分析。从实际的测试结果来看，回波损耗在-18dB以下，系统差损在1.1dB以下，带内平坦度小于0.1dB，经过计算，单个波导微带转换的差损约为0.3dB，符合当初设计的具体要求，该波

5　结语

［1］薛良金.毫米波技术基础.北京：国防工业出版社.

［2］柳维君.微波技术基础.成都：电子科技大学出版社.

［3］Yoke-Choy Leong and Sander Weaned.Full Band Waveguide-to-Microsrtip Probe Transitions，IEEE，1999.

［4］Kang Wook Kim，Chao-Ho Na，Dong-Sik Won.New Dielectric-Covered Waveguide-to-Microstrip Transitions for Ka-band Transceivers，IEEE，2003.

［5］张肇仪，周乐柱，吴明德等译.微波工程（第三版）［M］.北京：电子工业出版社，2006.

HFSS Simulation；Waveguide-Microstrip Converter；Ku Band

Design and Analysis of the Ku Band Waveguide-Microstrip Converter

CHEN Xiao-zhong，YAN Shu-bao
（Guangzhou Haige Communications Group Limited by Share Ltd，Guangzhou，510663）

1007-1423（2015）27-0058-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2015.27.016

陈小忠（1979-），男，四川人，本科，研究方向为微波毫米波技术、卫星通信技术和射频技术等

2015-07-16

2015-09-20

利用HFSS仿真软件，设计并加工一个用于Ku频段的波导微带转换器。该波导微带转换采用探针平面与波导窄壁垂直的结构。两端口仿真回波小于-30dB，差损小于0.3dB，实际测试回波小于-18dB，单个波导微带转换端口差损为0.3dB。

HFSS仿真；波导微带转换；Ku频段

闫书保（1981-），男，河南人，研究生，从事领域为功放和卫星通信方面的研究工作

Designs and processes a waveguide-microstrip converter applied in Ku band by using HFSS software.The waveguide-microstrip converter adopts the probe plane and narrow waveguide wall vertical structure.Simulation of return loss small than-30dB，insert loss less than 0.3dB，actual test return loss is less than-18dB，single loss is 0.3dB.