一种Ka波段宽带同轴探针过渡的设计＊

汪寅安 黄 敏

（1.海军驻武汉三江航天集团军代室 武汉 430040）（2.中国航天科工四院红峰公司 孝感 432000）

1 引言

目前，低成本和高可靠性的毫米波单片集成电路使用日趋广泛。在发展毫米波单片集成电路的过程中，设备和电路的特性要求一种波导和微带之间的过渡。在工程上需要寻找低损耗、结构简单易加工的过渡形式。目前常见的形式有三种：鳍线过渡、探针过渡和脊波导过渡。

某型近炸引信采用的是鳍线过渡的方式，该方式具备低损耗、宽频带的特点，且一致性较好，在工程应用中，只需完成装配，不需要额外的调试工作。但由于鳍线过渡的结构特点，波导腔体和射频基片部件在空间上是互通的，波导口属于空间开放的结构，因此就无法保证射频基片部件的密封性，从而导致基片部件不能长期贮存。针对这种情况，需要另外设计一种能保证射频基片部件密封性的过渡方式。

2 波导－微带探针过渡

波导－微带探针过渡以电磁波传播方向分为两种形式：微带线平面的法线方向和波导内电磁波的传播方向一致；微带线平面的法线方向和波导内电磁波的传播方向垂直。这两种方式都是将探针通过波导宽边中心插入波导腔中，利用起耦合作用的探针把电场在微带线和波导腔之间耦合，因此这两种方式原理一致，仅是结构形式上不同。在某型近炸引信中，由于天线法兰盘的安装位置，需要波导腔内电磁波传播方向与微带线平面法线方向垂直。

波导－微带探针过渡按探针种类也可分为两种形式：同轴探针过渡、微带探针过渡。微带探针过渡中探针由微带线制成，微带探针可以与射频基片部件整体制作，具有结构简单、一致性好的特点，且重量较轻。如果系统对体积和重量有特殊要求，可以考虑使用微带探针过渡。但同鳍线过渡一样，微带探针过渡中波导腔和射频基片部件有空间上的互通，无法满足密封性的要求。此次设计使用的是同轴探针过渡的方式，此方式在结构上可以满足工程应用中的密封性要求，但在初步装配完成后，需要调试。

3 仿真模型及参数计算

利用CST软件建立的Ka波段波导－微带过渡的仿真模型，如图1所示。

图1 Ka波段波导－微带过渡CST仿真模型

3.1 微带线计算

微带线是目前最流行的平面传输线，主要是因为它可以用照相印制工艺加工，并且容易与其他无源和有源微波器件集成，工程应用方便。

图1中右边的结构为微带线部分。黑灰色底层为地层；中间绿色层为介质层，其介电常数εr为2.2，厚度d为0.254mm；上层为导体层，金属结构，厚度为0.017mm。计算导体层宽度w如下：

式（1）中，Z0为微带线的特征阻抗，设计值要求为50Ω。εe为微带线的有效介电常数，计算公式如下：

将各式及参数代入（1）式中，预设w／d≥1，可以得到w＝0.79mm。预设w／d≤1，计算得到w大于d，与预设冲突，假设不成立。因此导体层金属条宽度w为0.79mm。

3.2 基片宽度计算

介质基片厚度0.254mm，根据屏蔽盒设计理论，屏蔽盒高应大于五到十倍基片厚度。仿真模型中仿真盒高为波导宽边长7.12mm，介质板和接地板的宽度仿真参数值为5mm，均大于0.254×10的要求。

3.3 波导和短路活塞计算

Ka波段标准波导尺寸为7.12mm×3.56mm，工作频率26.5GHz～40GHz。矩形波导可以等效为均匀传输线，传输线上的电磁波是由入射波和反射波叠加而成，反射波的大小取决于传输线的终端负载。终端负载的不同，决定终端处的反射系数，从而决定了传输线上的电磁波分布。当终端短路时，其反射系数为－1，根据传输线理论，距终端λg／4处反射系数为1。此处电磁波全反射，入射波和反射波叠加最大，传输损耗最小。因此，探针应在宽边中心，距终端短路面λg／4处插入波导腔，此时传输损耗最小。

λg／4的计算方式如下：

在矩形波导传输模式中，每个模（m和n的组合）具有由下式给出的截止频率fcmn：

截止频率最低的模式为基模，假定a＞b，则最低的fc出现在TE10（m＝1，n＝0）模：

在给定的工作频率f下，只有f＜fc10的模才能够在波导腔内传播，因此fc10即为矩形波导的截止频率。式（4）中μ、ε为波导内填充材料的相对介电常数和相对磁导率。某型近炸引信中，波导腔内无填充材料，即为空气。空气的相对介电常数和相对磁导率均为1，因此根据式（4）可以得到：

a为波导宽边长，Ka波段标准矩形波导宽边长为7.12mm，因此对应的λc为14.24mm。波导波长λg计算方式如下：

某型近炸引信工作中心频率为fGHz，对应自由空间内电磁波波长λ＝c／f，c是自由空间电磁波的传播速度，即光速，可以得到λ为′x′mm，代入式（6）可以得到λg＝′y′mm。则探针距波导终端短路面λg／4的距离为′z′mm。此参数将影响到探针过渡在频带内的性能，需要在仿真时加以优化设计。

4 影响性能因素分析

探针的长度和直径：探针的长度和直径是对过渡性能产生明显影响的参量。从仿真结果看，探针长度对过渡性能的影响更大。使用CST软件对1.6mm～2.2mm间的不同探针长度进行了仿真，相对于工作频段而言，以1.8mm的探针长度最优。

短路活塞：从3.3节的分析可以知道，短路活塞即探针到波导终端短路面的距离，对波导内电磁波传播的功率有影响，只有当此距离为适合值时，探针位置处才是全反射，传播的电磁波功率值最大，过渡的损耗才最小。在实际仿真中，当此参数值从2.8mm降到2.2mm过程中，频带内的插损略有降低。当从2.2mm继续下降时，仿真结果的中心频率将偏离所需值，因此确定探针到波导终端短路面距离为2.2mm。

探针介质层：其长度、半径、相对介电常数对过渡的性能都有影响，不过这三个因素是相互制约的，当其中两个参数值确定，另一个参数根据仿真结果有最优解。考虑到介质层的长度即波导腔壁厚，如果偏低，很难满足结构强度的要求，但如果偏大，对空间体积是一种浪费，综合考虑，首先确定这个值为2mm。介质层的相对介电常数参照常见值，定为6。在这两个参数确定的条件下，根据仿真结果，半径1mm时性能最佳。工程应用中，由于采购器件的参数和仿真值可能不同，这三个参数需要根据实际情况代入模型重新仿真，此次仿真只能分析三个参数值对过渡性能致的影响，并给出参数值的相互制约关系和大量纲范围，用于指导实际应用时的器件选择。

图2 探针部分模型图

探针部分的模型见图2。模型具体参数见表1。

表1 模型参数值

Parameter name Value Description绝缘R半径 1绝缘子半径a 3.56 波导长b 7.12 波导宽d 2.2 探针到波导底部的距离h 0.017 微带线厚h1 0.254 基片厚度h2 0.5 地板厚底1 1.8 探针伸入波导长度12 1 探针微带部分长度13 10 微带线长r1 0.15 探针半径w 0.79 策微带线宽x 2绝缘子长度

5 仿真结果

使用CST软件对模型进行仿真，结果如下：

图3为1端口反射系数的仿真结果，在所需的工作频带内，S11的值低于－16dB，满足设计和工程使用的要求。

图3 反射系统仿真结果

图4 插入损耗仿真结果

图5为探针过渡的插入损耗，是过渡性能的重要指标，其值的大小代表了信号功率在微带和波导间传输的衰减值。仿真结果表明工作频带内插损值均小于0.5dB，满足设计预期。

6 结语

同轴探针过渡由于结构上的特点，在安装时，探针进入波导腔内的长度一致性较差，需要采取措施进行后续调试。从性能上看，通过过渡模型的建立和CST软件的多次参数优化，得到了较为理想的仿真结果。在工作频段内，插入损耗S21小于0.5dB，反射系数S11小于－16dB。仿真结果表明，该同轴探针过渡具有宽频带，低插损、低驻波的特点，并且在结构上保证良好的密封性，可以指导实际工程应用。

［1］薛良金.毫米波工程基础［M］.哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2004.

［2］张肇仪等，译.微波工程［M］.北京：电子工业出版社，2006.