W波段波导-微带探针过渡设计

微波学报2010年8月W波段波导-微带探针过渡设计付骥胡皓全(电子科技大学电子工程学院，成都610054)摘要：本文采用高频仿真软件HFSS仿真设计出了W波段E面探针方式的波导到微带过渡结构，并制作了实物进行了测试，实测结果表明在频率85GHz-100GHz范围内，过渡的插入损耗小于1dB，与仿真结果基本吻合，适合工程应用。关键词：毫米波；W波段；波导微带变换DesignofWBandWaveguidetoMicrostripProbeTransitionFUJi,HUHao-quan(SchoolofElectronicEngineering,UniversityofElectronicScienceandTechnologyofChina,Chengdu610054,China)Abstract:Inthispaper,astructureofWbandwaveguidetomicrostripprobetransitionisdesignedandanalyzedbyusingtheadvancedelectromagneticsimulationsoftwareHFSS.Thetransitionisalsofabricatedandmeasuredtodemonstratetheperformance,themeasuredresultsshowthattheinsertionlossofthetransitionislessthan1dBinthefrequencyof85GHzto100GHz,whichshowsgoodagreementwiththeoreticalresults.Keywords：Millimeterwave;Wband;Microstripprobetransition引言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在通信、雷达、制导以及其它一些系统中得到广泛应用，微带传输线正在越来越多的场合取代金属波导，成为制作毫米波集成电路的重要传输线。但由于矩形波导具有功率容量大、损耗小、无辐射损耗、结构简单、Q值高的特点，因此在微波毫米波电路和系统中被广泛应用，现在许多毫米波实验设备的输入输出端口均为波导形式。在微波/毫米波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换，这种转换由波导一微带过渡电路来完成。标准矩形波导与微带线转换有多种形式，常用的是波导-脊波导-微带过渡、波导-对极鳍线-微带过渡和波导-探针-微带过渡，其中波导-探针-微带过渡由于具有低损耗、宽频带、结构简单、体积小和可靠性而被广泛采用。文献[1]设计出了Ka波段的探针过渡结构，插入损耗小于0.4dB，回波损耗大于15dB；在W波段插入损耗小于2dB，回波损耗大于15dB。文献[2]设计的Ka波段探针过渡结构背靠背实物测试结果显示：在Ka波段20％的带宽内插入损耗小于0.86dB，回波损耗大于20dB。文献[3]提出一种利用八木天线原理制作的宽带过渡结构，该种结构是可以替代对极鳍线过渡的一种宽带过渡形式，单个实物测试结果表明：在X波段35%的带宽内，插入损耗优于-0.15dB，回波损耗优于-15dB。本文设计了一种E面耦合探针过渡结构，使用三维电磁仿真软件HFSS进行了仿真，并制作了实物，进行了测试。实测结果表明，在85-100GHz范围内插入损耗小于1dB，与软件仿真结果相符，且平坦度较好，适合工程要求。1模型结构分析微带探针过渡是从同轴探针发展而来，实质上是通过一段起耦合作用的微带线把波导中的电场耦合到微带线上。能使波导以垂直和平行于微带电路所在平面的方向两种形式与微带相连接，矩形波导的短路活塞使探针处于波导内电场最强的位置，微带探针经过一段高阻抗线变换到50Ω微带线。波导-微带探针过渡有两种普遍形式，一种是微带平面的法向与波导内电磁波的传播方向平行，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，如图1和图2[4]。图1微带平面与波传播方向垂直图2微带平面与波传播方向平行波导中的探针距短路面的距离应为四分之一波长，这样可保证探针处于波导内的电场最强位置。匹配电路则由高感抗微带线和四分之一阻抗305微波学报2010年8月变换器组成，可达到宽带匹配的作用。阻抗变换采用高阻抗线，可以减小微带线与波导缝隙之间的耦合电容。高阻抗线两端采用渐进过渡的方式完成阻抗匹配。过渡性能的好坏主要取决于插入波导内部探针的长度、宽度、与短路面的距离、四分之一阻抗变换和空气腔尺寸。2模型设计及仿真本文使用HFSS三维电磁场仿真软件建模并对影响过渡性能较大的参量进行了优化分析。波导的尺寸采用W波段WR-10标准矩形波导（2.54mm×1.27mm）；介质基片选用相对介电常数2.2的Rogers5880材料，厚度为0.127mm。仿真过程中发现两段微带线作为阻抗匹配比一段要好，这是因为一段阻抗匹配就必须要求微带探针的输入阻抗为纯电阻，这就限制了探针的长度，对过渡性能有一定影响。而两段阻抗匹配可以先匹配容性或者感性再匹配电阻，所以可以匹配得更好，因此本文选择用两段微带线作为阻抗匹配段。仿真时首先对单个波导-微带探针过渡结构进行优化仿真，仿真模型如图3，仿真结果如图4，由图可知在频率85~100GHz范围内，插入损耗小于0.05dB，回波损耗大于25dB。实际测试中不可能对单个波导-微带探针过渡进行测试，必须采用通过测试过渡的背靠背模型的插入损耗来估算单个过渡的插入损耗，因此为便于精确测试，需对微带探针过渡的背靠背模型进行仿真分析。仿真模型如图5，仿真结果如图6，由图可知在频率85~100GHz范围内，插入损耗小于0.1dB，回波损耗大于20dB。模型的各参数如表1所示。图3微带探针过渡模型图4微带探针过渡模型仿真结果图5微带探针过渡的背靠背仿真模型图6微带探针过渡背靠背模型仿真结果表1微带探针过渡模型参数探针(mm)阻抗变换1（mm）阻抗变换2（mm）长l宽w长l1宽w1长l2宽w20.530.380.410.310.20.5短路面距离s(mm)微带线宽度w0(mm)波导内基片宽w3(mm)空气腔高c(mm)0.770.3795306微波学报2010年8月3实物加工和测试根据仿真所得数据进行了实物加工。为能方便测试W波段波导-微带的过渡性能，采用背靠背的测试结构，即波导-微带-波导结构，实物如图7所示，测试系统原理框图如图8所示，这样单个波导微带探针过渡的插入损耗约为测试结果的一半。模型的实测结果如图9所示：扣除中间一段约10mm的微带传输线的损耗后，在85~100GHz频率范围内单个波导微带过渡的插入损耗约为1dB。图7背靠背波导微带过渡实物图标量网络分析仪检波头待测件3电桥6倍频器信号发生器图8测试原理框图图9背靠背波导微带过渡实测结果图4结论本文设计了一个中心频率为94GHz的波导-微带探针过渡结构，并进行了模型仿真和优化，实物加工和测试。从仿真和实测结果分析，该过渡结构具有插入损耗小，体积小、结构简单的优势，可在毫米波混合集成电路如收发组件，功率合成放大网络等得到广泛的应用。参考文献[1]ShihYC,TonTN,BuiLQ.Waveguide-to-MicrostripTransitionsforMillimeter-WaveApplications[C],IEEE-MTTSInternationalMicrowaveSymposiumDigest,1988,1:473-475[2]王婧倩，孙厚军.Ka波段波导-微带的过渡转换结构[C].2003-2005年海峡两岸三地无线科技学术会议论文集,2005：229-232[3]KanedaN,QianYX,ItohT.ABroad-BandMicrostriptoWaveguideTransitionUsingQuasi-YagiAntenna[J].IEEEtrans.MTT,1999,47(12):2562-2567[4]薛良金.毫米波工程基础[M].北京:国防工业出版社,1998付骥男，1987年生，硕士研究生。主要研究方向：微波毫米波电路与系统。E-mail:[e-mail]胡皓全男，1964年生，教授，博士生导师。主要研究方向：电磁兼容，微波毫米波电路与系统E-mail:[e-mail]307