一种Ku波段波导－微带转换器的研制

宋志东 康 颖

(西安电子工程研究所 西安 710100)

1 引言

采用微带的毫米波集成电路往往都必须包含波导——微带过渡接口。在实际应用中，过渡器的一个不可忽视的附加因素是气密要求。很多微带电路，特别是军用微带电路，为保证能在各种恶劣环境条件下性能的稳定性，对系统的气密性提出了更高的要求。另外，目前的微波毫米波电路正在向小型化的趋势发展，为了便于整体电路的小型化设计，过渡器的体积和接口方向也成为一个重要的考虑因素。

目前过渡形式主要存在以下方式:鳍线过渡、小孔耦合、脊波导过渡以及E-面探针方式等，这些形式各有优缺点，适合不同场合。本设计采用微带-脊波导-波导过渡，在保证气密的基础上，将射频能量从直通方向引出。

2 基本原理

微带-脊波导-波导过渡结构是以阻抗渐变的形式由矩形波导向微带转换的。这种结构的特点在于:1.基片整体尺寸小，便于加工制作;2.脊波导过渡无电路谐振问题，因而适用于宽带电路。

脊波导的结构如图1所示，该图所示为一个单脊波导结构，其特性阻抗为:

图1 脊波导截面图

其中:

因而，脊波导的脊宽W可由己知的a，b，g(g=h)和Z0=50Ω通过上式求解。

阶梯脊结构是把矩形波导的主模波阻抗变化到微带特性阻抗以实现过渡目的。这种脊由若干个1/4λ减高波导段组成，以便使波导高度从b逐渐变化到微带基片的厚度。实验证明，采用四个阶梯，即一个导行波长长度，就可提供全频段带宽。这种结构的优点是可以把过渡段埋在波导内，因而不会增大整个电路体积。在这种结构中，减少阶梯数目就能缩短过渡段的物理长度，从而使设计更为紧凑，但是这样也会减小带宽。在实际的工程设计中，可以根据具体的工作带宽选择阶梯数目。本处结合实际应用情况，采用了四个阶梯脊结构过渡。

对于波导到微带过渡可看成非50Ω传输系统过渡到50Ω传输系统的问题，也就是阻抗变换问题。而阻抗变换的理论已经比较成熟，根据实际结构，这里采用的是1/4波长多节变换器(图2)。在综合设计时，切比雪夫多项式在给定驻波比时其长度最小，其元件值可查［1］，现已被广泛使用。

图2 四分之一波长多节变换器原理图

3 仿真设计

波导-脊波导-微带转换结构如图3所示。整个转换器的微带端口采用波珠与射频前段进行连接，保证了气密性。

图3 波导-微带转换结构示意图

跟据理论分析以及相关公式可以得到4级阶梯脊波导的相关结构尺寸，利用Ansoft公司的商用软件HFSS11建立模型进行仿真优化(图4)。

图4 波导-微带转换结构仿真模型

首先确定脊波导在整个转换结构中的位置，发现脊波导与微带端口之间的间距会对仿真结果产生一定影响。在不影响加工的前提下，选取了一个较好的结果;其次对脊波导各级相关变量进行微调;最后考虑到加工误差对性能的影响，对整体结构进行误差预分析，尽量去除对加工误差敏感的细微处，以提高加工成品率。最后得到的相关尺寸如下(图3):

仿真结果如图5所示。

从仿真结果中可以看出，设计的过渡结构在13GHz—17GHz频率范围内有良好的性能，插入损耗小于0.2dB，端口驻波系数小于1.4。

图5 波导-微带转换结构仿真结果

4 样件制作及测试

根据仿真结果制作样品，样品采用黄铜加工，表面镀金制作，如图6所示。

用安捷伦矢量网络分析仪5244A测试样件，在13GHz－17GHz频段内，测试数据见图7(为便于测量，微带端口接有 SMA接头)，端口驻波系数 ＜1.35，两只转换器波导口背靠背测试所得插损＜0.9dB。

由测试结果可以得出，每个转换器的插入损耗小于0.5dB，驻波系数小于1.35，实际测量结果与仿真结果基本一致。由于加工误差，导致微带线与脊波导相压过紧耗在(图3)，测试的端口驻波系数和插入损14GHz－15GHz略有恶化。

5 总结

本文介绍了一种直通方向的波导—脊波导—微带过渡结构的设计方法，这种结构与其他常用的过渡结构相比，其主要优点在于既解决了波导—微带探针过渡、波导—鳍线—微带过渡等结构普遍存在的气密性的问题，而且具有波导接口—脊波导—微带线直通的连接方向，比传统的几种过渡结构更有利于小型化集成。

［1］董在望等.通信电路原理［M］.北京:高等教育出版社，2005.

［2］David M.Pozar.微波工程［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［3］Reinhold Ludwigd等.射频电路设计［M］.北京:电子工业出版社，2006.

［4］朱大红，齐峰.Ka波段波导-微带转接器的设计［J`］.微波学报，2008，10.