一种宽频带低插损的波导-微带转换器的设计

王俐聪， 杨晓明， 丁 勇， 刘永杰

(上海无线电设备研究所， 上海 200090)

一种宽频带低插损的波导-微带转换器的设计

王俐聪， 杨晓明， 丁 勇， 刘永杰

(上海无线电设备研究所， 上海 200090)

设计了一种宽频带低插损的波导-微带转换器，并基于射频软件CST进行了仿真和优化，测试值和仿真结果吻合。频率范围覆盖13 GHz～17 GHz，插入损耗小于0.4 dB，带内插入损耗纹波小于0.3 dB，回波损耗大于23 dB。

波导； 微带线； 探针； 仿真； 优化

0 引言

在微波电路及系统中有两种常见的传输形式，一种是矩形波导，另一种是微带传输线。微波收发组件的端口和天线的端口常常采用波导形式；微带传输线是微波固态电路中的主要传输形式，因具有体积小、重量轻、使用频带宽、可靠性高和制造成本低等优点而广泛应用；如何在二者之间实现低损耗过渡转换就显得尤为重要。

工程应用中，常见的波导-微带过渡转换技术有三种，分别为探针过渡、脊波导过渡和槽线过渡。

本文研究的是第一种过渡转换技术，将微带传输线延伸插入到波导腔内，形成探针，矩形波导腔内的能量耦合到探针上，从而实现两种微波传输形式的转换。

文中分析了波导-微带转换器的微波特性，设计了13 GHz～17 GHz的宽频带波导-微带转换器，并利用射频软件CST进行了仿真和优化。

1 特性分析与设计考虑

矩形波导与微带传输线之间的转换理论，基于电磁波在不同媒介(如矩形波导和微带传输线)中的传输理论和阻抗变换理论。

矩形波导的横截面为矩形，如图1所示。

图1中，x和y分别为直角坐标系的两根轴线，z为电磁波的传输方向，a和b分别为矩形波导的宽边长度和窄边长度。

矩形波导中只存在TE波或TM波，电场分布随时间和空间周期变化，本文只考虑传输TE10波的情况，图2是TE10波的瞬时电场分布图。

图2中，由参数a、b和工作频率f可以计算得到真空波长、波导波长以及矩形波导的阻抗。

微带传输线是常见的微波传输媒介[1]，如图3所示。

图3中，H是介质层的厚度,h是带线的金属层厚度，W1是带线的金属层宽度，εr是介质的相对介电常数。由参数H、t、W1、εr和工作频率f决定微带线的阻抗。

微带线可以看作由双线传输线演变而来，传输的电磁波为准TEM波，近似于TEM波，其电场分布如图4所示。

图4中，微带线中填充有两种介质，介质基片和空气介质，其电场分布主要集中在介质基片中，而空气中的电场比较弱。

为了把如图2所示的矩形波导中的微波能量耦合到如图4所示的微带线上，须将微带线沿着波导宽边中心线的方向插入到波导腔内电场强度最大处。波导腔的内壁在安装微波探针的地方设置一个台阶，为安装探针提供定位，如图5所示。

图5中，l为探针到波导短路面的距离，d为探针伸入到波导腔内的深度。

由于矩形波导的阻抗和微带线的阻抗差值较大，为了避免因二者阻抗失配而引起的严重反射，所以必须在波导和微带线间设计一个阻抗变换器。

波导-微带转换器的本质就是一个阻抗变换器，根据阻抗变换理论，有

(1)

式中：Zin为探针的阻抗；Z01为矩形波导的阻抗；Z02为微带线的阻抗。

对于矩形波导，其等效特性阻抗为

(2)

式中：λ为真空波长；λg为波导波长。

(3)

(4)

对于微带探针，其末端电流为零，电磁波在传输方向上以正弦波的形式分布，其底部的输入阻抗为[2]

(5)

式中：Rin和Xin分别为输入电阻和输入电抗。

在TE10模式下的输入电阻Rin和输入电抗Xin分别为

(6)

(7)

由式(6)和式(7)可以看出，Rin和Xin随探针到短路面的距离l和探针插入波导的深度d的变化而变化。根据式(1)可以看出，通过调整Rin使其满足波导和传输线的匹配，通过调整Xin以抵消激励高次模的电抗，使探针在波导腔内处于最大电压处，即电场最强的波腹位置。

在无限长的矩形波导中，电磁波是均匀传输的，而在转换器中存在短路面，电磁波在此处发生反射，正、反方向的电磁波叠加形成波节，波节间距为λ/2，当取探针到短路面的距离l为λ/4时，则探针处于电场最强处，此时电磁波的传输效率最大[3]。

2 波导-微带转换器的仿真设计

2.1 设计目标

设计一种宽频带低插损的波导-微带转换器，工作频率覆盖13 GHz～17 GHz，插入损耗小于0.4 dB，带内插损波动小于0.3 dB，回波损耗大于23 dB，输入端口和输出端口的驻波比小于1.5。

2.2 设计建模与仿真优化

(1) 建立电路模型

图5中的探针带线呈现容性电抗，须设计一段感抗带线以抵消其电容效应[4]，因此将转换器改进为两阶变换结构，如图6所示。

图6中，Xd和XW0分别为感抗带线的长度和宽度，感抗带线很好地改善了波导与微带线之间的阻抗匹配，使得插损变小，工作频带增宽。

转换器的中心频率为15 GHz，矩形波导的宽边a为21.5 mm，窄边b为3.5 mm。将a=21.5mm和b=3.5mm代入式(2)和式(3)，得到真空波长λ=21.43 mm，波导波长λg=24.72 mm，则有λg/4=6.18 mm，将其代入式(1)中得到矩形波导的阻抗为Z01=434.87 Ω。

传输微带线的基板材料选用Rogers RT/Duroid 5880，厚度H为0.254 mm，介电常数εr为2.22，带线金属层厚度h为0.018 mm，可计算得到微带线的特性阻抗为Z02=50 Ω时的带线宽度W1为0.37 mm。

根据式(1)可以计算得到探针的阻抗为147.3 Ω，代入到式(6)和式(7)中，可以计算得到探针插入波导腔的深度d为2.18 mm，探针带线的宽度W0为3.1 mm。

图6的转换器为两阶变换结构，各初始值分别取：探针底端带线长度d为0.86 mm，其宽度W0为3.1 mm，感抗带线长度Xd为1.32 mm，宽度XW0为0.30 mm，探针距离短路面的长度l为6.18 mm。

(2) 仿真与优化

按初始值设置探针的各个参数，并利用软件CST进行仿真，得到转换器的S参数曲线如图7所示。

图7中，转换器的插入损耗S21小于0.7 dB，回波损耗S11大于11 dB，性能较差。

在仿真过程中，发现探针底端带线的宽度、长度以及探针到波导短路面的距离这三个参数对于S参数曲线的影响较大，对其进行反复优化和对比优化后，微带探针长度d为0.82 mm，宽度W0为2.8 mm，感抗带线长度Xd为1.9 mm，宽度XW0为0.38 mm，探针距短路面的长度l为6.24 mm，其S参数的最终优化结果如图8所示。

图8中，转换器的插入损耗S21小于0.2 dB，回波损耗S11大于25 dB，较图7中的仿真曲线有明显的改善。

3 实验结果

根据优化结果，利用软件AUTOCAD 2010绘制版图如图9所示，并按图10所示的方式实现。

通过图10所示的方式实现的波导-微带转换器密封性好，可靠性高，具有良好的重复性和一致性。

在13 GHz～17 GHz频率范围内，测得转换器的插入损耗不大于0.2 dB，带内的插损波动不大于0.2 dB，回波损耗大于25 dB，输入端口和输出端口的驻波比都小于1.2，完全满足设计要求。

4 结论

本文分析了波导-微带转换器的微波特性，利用电磁波在矩形波导和微带传输线中的传输理论以及阻抗变换理论，设计了一种宽频带低插损的波导-微带转换器。最后基于射频软件CST进行了优化，实验测试值和设计仿真结果相吻合。

[1] 顾继慧.微波技术[M].北京：科学出版社， 2004:85-106.

[2] Yoke-Choy Leong, Sander Weinreb. Full Band Waveguide-to-microstrip Probe Transitions[J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig, 1999:1435-1438.

[3] Heuven J H C. A New Integrated Waveguide-microstrip Transition[J]. IEEE Trans.Microwave Theory Tech, 1976,(3):144-147.

[4] Yi-chi Shih, Thuy-Nhung Ton, Long Q Bui. Waveguide-to-microstrip Transitions for Millineter-wave Applications[J]. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp Dig, 1988:473-475.

Design of a Kind of Waveguide-to-microstrip Transition with the Wider Bandwidth and the Lower Insertion Loss

WANGLi-cong，YANGXiao-ming，DINGYong，LIUYong-jie

(Shanghai Radio Equipment Research Institute, Shanghai 200090, China)

A kind of waveguide-to-microstrip transition with the wider bandwidth and the lower insertion loss is designed, and based on the RF software CST, it simulates and optimizes. In the experiment, the test data are in agreement with the simuation results. For a frequency band from 13 GHz to 17 GHz, the insertion loss is below 0.4 dB, and the wave ripple is below 0.3 dB, and the return loss is above 23 dB.

waveguide； microstrip； probe； simulation； optimization

1671-0576(2017)01-0024-05

2016-01-03

上海航天创新基金项目，编号SAST20150604。

王俐聪(1982-)，女，工程师；杨晓明(1978-)，男，高级工程师，均从事微波毫米电路与系统研制技术研究。

TN817

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