W波段波导到微带探针过渡设计

秦楚昂 电子科技大学物理学院 四川成都 610054

1 研究背景

微带线和波导都是高频电磁场的导波结构，结构上的差异使它们有不同的特性：波导损耗小，但是体积大，立体结构难以加工；微带线是平面结构便于集成，设计和加工更灵活但是传输损耗大。在毫米波系统中，为了减小电路面积往往会使用微带线来设计功能性电路，为了减小传输损耗则利用波导来输入和输出。波导到微带过渡结构的性能会在很大程度上会影响整个系统的性能。因此，在毫米波电路中良好的过渡设计是十分重要的。

2 设计目标

设计一个W波段波导到微带的E面探针过渡结构，工作频率范围为90-100GHz，插入损耗小于1dB，回波损耗优于-15dB。

3 设计过程

3.1 理论分析

微带线到矩形波导的过渡问题实际上是波型变换和阻抗匹配问题。矩形波导中工作主模是TE10模，微带线中的主模是TEM模，虽然两者的工作模式不同，但作为传输线，它们的电压和电流的定义是相容的，因此可以把复杂的场匹配问题简化为传输线的匹配问题。

图1波导到微带的E面探针过渡及其等效传输线模型

图1左是E面探针过渡结构，图1右是过渡结构的传输线模型。探针顶端开路，电场最强，与波导场的耦合方式主要是电耦合，因此可以简化为串联电容C。Zm为微带线特性阻抗，一般为 50Ω，Zw为波导特性阻抗，一般比较高而且随工作频率变化。距离探针左侧 l有金属波导壁，相当于短路面。根据传输线理论，l距离的短路面在探针处的等效阻抗值为

当lβ小于四分之一波长时，短路面在探针处可以看成一个和矩形波导并联的电感 L，且 l越大，L越大。

3.2 HFSS建模

波导的尺寸采用W波段WR-10标准矩形波导（2.54mm×1.27mm），介质基板选用相对介电常数2.2的Rogers 5880材料，厚度为0.127mm。在HFSS中建立矩形波导到微带的E面探针过渡模型，如图2所示。

图2 波导到微带的E面探针过渡结构的HFSS模型

4 设计结果

仿真结果如图3所示，在90-100GHz的工作范围内，S11优于20dB，S21小于0.3dB，完全满足设计要求。优化后的模型关键参数为：l=0.6mm，探针长度0.6mm，探针宽度0.28mm，探针基板宽度0.5mm。

图3 优化后的探针过渡结构的仿真S11和S22参数曲线

5 总结

本文设计改进了传统的探针过渡设计，取消了阻抗匹配段的高阻抗线，通过减小波导短路面到探针的距离来抵消探针的容性影响，在90-100GHz范围内实现良好的匹配。高阻抗线段的取消不仅简化设计，还可以缩小结构尺寸，降低加工难度，使过渡性能更加稳定。