一种介质密封型微带波导转换器的设计

张生春, 张国强, 张山杉, 廖　原

(西安电子工程研究所 微波工程事业部， 陕西 西安 710100)



一种介质密封型微带波导转换器的设计

张生春, 张国强, 张山杉, 廖原

(西安电子工程研究所 微波工程事业部， 陕西 西安 710100)

设计一种适用于有密封性要求的毫米波收发组件的微带波导转换器。采用微带探针形式实现微波信号从微带传输到波导传输的转换，通过微带过渡和波导空气腔实现转换的良好匹配，采用介质密封环实现对波导口的密封。实例测试结果表明，在30～40 GHz频率范围内，转换器驻波比小于1.4，插入损耗小于0.3 dB。

毫米波；微带波导转换；密封型；小型化

随着毫米波砷化镓、氮化镓单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC)芯片的迅速发展，使得作为毫米波有源相控阵雷达的关键部件——收发(Transmitter and Receiver，T/R)组件得到了快速发展[1]。在毫米波收发组件内部广泛使用的传输线形式是微带线，而天线接口一般为波导接口。如何有效地在通道间距仅为4～5.5 mm的收发组件中，实现微带到波导的微波传输方式转换，成为毫米波工程应用研究方向之一。

目前，常用的转换形式有鳍线过渡[1]、脊波导过渡[2]、小孔耦合[3]、同轴绝缘子探针过渡[4-7]、微带探针过渡[8-9]等。在毫米波段，上述转换结构都能实现微带到波导的转换，但将其应用于有源相控阵雷达多通道组件上，均不满足毫米波多通道T/R组件的小型化、密封性、易集成的要求。鳍线和脊波导转换结构太大，小孔耦合和一般微带探针都没有实现密封，而同轴探针过渡不易进行组装。

本文针对毫米波有源相控阵多通道收发组件微带波导转换问题，设计一种改进的介质密封性微带波导转换器，以期解决微带波导过渡中的低损耗、宽频带、小型化和密封型问题。

1　模型分析和电路设计

1.1转换模型分析

微带电路的微波传输主模式为准TEM模式，波导的传输模式为TE10模式。微带波导转换器有E面探针和H探针两种结构形式。转换器的关键在于用微带探针形成一种激励装置，使得在波导某一截面建立的电场，与所要激励的波导TE10模式的电场分布一致[10]。E面波导微带转换原理如图1所示，微带探针从波导宽边的中央插入，激励波导传输的电磁场。

图1　E面波导微带转换原理

波导一侧有短路面，通过调节短路面的位置和探针在波导中的深度，可在波导的另一侧获得传输所需的TE10模式，使其幅度尽可能大。通过计算探针在波导中的输入阻抗，再加一段微带阻抗匹配枝节，实现波导到50 Ω微带线的匹配，从而实现良好的过渡性能。

矩形波导在TE10模式下探针的输入阻抗[10]为

Zin=R+jX,

(1)

式中

(2)

(3)

其中，a，b分别为波导的宽边和窄边的长度，η为空气波阻抗，β10为矩形波导TE10模式相移常数，k为传播常数，L为短路面的位置，d为探针的长度。

由式(1)、式(2)和式(3)可知，转换器的探针输入阻抗是探针长度d和短路面距离L的函数，可选择一定的d和L，使输入探针电阻和微带线的特性阻抗相等，调节输入探针的电抗以抵消各高次模式引入的电抗，从而使入射信号尽可能地耦合到波导内，即可实现最佳匹配。

1.2转换模型改进设计

图1中E面波导微带转换器的波导为标准WR10波导，转换器尺寸较大，无法满足毫米波多通道T/R组件间距尺寸要求；同时微带探针探入波导腔内，没有实现波导对外的密封，影响组件可靠性。因此，对E面探针转换器进行改进设计。改进的波导微带转换器如图2所示。

图2　改进的波导微带转换器结构

具体改进如下。

(1)采用减高波导实现微带波导转换(端口尺寸为7.11 mm×1 mm)，减小转换的结构尺寸。

(2)采用波段阶梯过渡实现转换波导到输出波导的过渡。

(3)采用介质密封环将波导口覆盖，实现对波导口的密封。

(4)采用匹配空气腔，提高转换的传输匹配性。

2　仿真设计

利用三维电磁场仿真软件HFSS对图2的改进微带波导转换器进行建模仿真。

转换器的转换波导的尺寸为7.11 mm×1 mm，输出波导尺寸为7.11 mm×2 mm，采用两次阶梯波导进行过渡。微带介质采用介电常数为2.2 的Rogers RT/duroid材料，微带厚度为0. 127 mm，线宽为0.38 mm。微带转波导的结合处采用介质环对波导口进行覆盖。波导短路面一侧加入匹配空气腔增加匹配性。

微带波导转换器模型如图3 所示。

图3　微带波导转换器模型

在仿真中分别对微带探针的长边和宽边、探针进入波导的位置、反射面的位置、阶梯波导的窄边宽度进行联合优化设计，最终得出微带波导转换器的仿真插入损耗和电压驻波比，结果分别如图4和图5所示。

图4　插入损耗仿真结果

图5　电压驻波比仿真结果

由仿真结果可见，在30～40 GHz的宽频带内转换器插损小于0.05 dB，驻波比小于1.17，从而提高了转换器的工作带宽。

3　实例测试

将改进的微带波导转换器应用于毫米波8通道收发组件，组件通道间距为4.8 mm，采用微波微带介质板对波导口进行微组装共晶烧结工艺密封，设计实物如图6所示。

图6　毫米波收发组件微带波导转换器

应用矢量网络分析仪(N5244)对毫米波组件的微带波导转换端口驻波进行测试，结果如图7所示。

图7　毫米波收发组件端口驻波测试

由图7可见，微带波导转换器端口驻波比小于1.4，从而验证了改进的微带波导转换器具有良好的毫米波信号传输性能。

由于收发组件的集成设计，微带波导转换器无法进行传输损耗的单独测试。但是，通过测试收发组件中与微带波导转换性能直接相关的指标，如发射功率、噪声系数、接收增益等，进行预估计算，微带波导转换器插入损耗应小于0.3 dB。

4　结语

通过对E面波导微带转换器改进，得到改进的介质密封性微带波导转换器，对其进行建模仿真优化。实例测试结果表明，该转换器端口驻波比小于1.4，插入损耗小于0.3 dB，具有小型化、密封型和易集成的特点。

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[10] 傅君眉,冯恩信. 高等电场理论[M]. 西安：西安交通大学出版社,2000:125-129.

[责任编辑:祝剑]

Design of microstrip waveguide transition with sealing

ZHANG Shengchun,ZHANG Guoqiang,ZHANG Shanshan,LIAO Yuan

(Microwave Engineering Business Division, Xi’an Electronic Engineering Research Institute, Xi’an 710100, China)

A microstrip waveguide transition for the millimeter wave microstrip waveguide conversion circuit with sealing requirements is designed. In this design, a microstrip probe is used in the circuit to complete the transition of microwave signal from microstrip to waveguide. Microstrip transition and air cavities are used to improve the matching, and medium ring is used to seal the waveguide. This transition is featured with low loss, wide band, small and sealed. The designed converter has insertion loss less than 0.3 dB，and standing wave at port is less than 1.4 in the frequency range of 30～40 GHz．

millimeter wave, microstrip waveguide transition, sealing,miniaturzation

10.13682/j.issn.2095-6533.2016.04.018

2016-03-08

兵器预研支撑基金资助项目(62201070140)

张生春(1984-)，男，硕士研究生，研究方向为雷达收发组件。E-mail：260991259@qq.com

张国强(1983-)，男，硕士研究生，研究方向为微波电路模块。E-mail：151470297@qq.com

TN957

A

2095-6533(2016)04-0092-04