一种Ka波段微带-波导转换的设计

张国强 王 洁

(西安电子工程研究所 西安 710100)

0 引言

在相控阵雷达系统中，作为核心部件的T/R组件一直是研究的重点。构成组件的关键部件毫米波单片集成电路往往通过微带形式连接，而在毫米波测试和传输系统中，矩形波导是主要的传输形式。于是有必要对微带到矩形波导接口的转换进行深入研究。

在使用波导接口的毫米波系统中，利用微带电路集成度高的特点使微带波导转换结构必不可少。微带-波导过渡要求低损耗、宽频带、易加工等特点，目前过渡形式主要有以下几种方式:鳍线过渡、小孔耦合、脊波导过渡以及E-面探针过渡［1］。鳍线过渡可视为准平面结构，易于系统集成，在毫米波混合集成电路中得到广泛应用。

关于微带-波导转换结构，国内外已有多篇报道［2-6］。本文分析了微带、波导的传输模式，并在此基础上设计了一种Ka波段微带-波导鳍线转换结构，通过高频微波设计软件HFSS仿真，根据仿真优化结果加工实物测试表明:频带内插入损耗小于0.3dB，回波损耗优于20dB，输入输出驻波优于1.20。

1 理论分析

1.1 鳍线结构

如图1所示，鳍线由单面或双面敷有金属膜的厚度为S或2S的介质基片插入毫米波波导腔中构成，在金属膜中央对称轴线处去掉一定宽度的金属层形成一个缝隙W，单面金属膜处于波导宽边中央与宽边垂直，而与波导宽边并不要求十分严格的连接，因为对基模TE10波来讲，在波导宽边中心处的高频电流是纵向的，平行于金属鳍，所以鳍与波导壁的不良连接并不会切断高频电流。

1.2 鳍线传输模式

图1 鳍线结构

在鳍线中传播的是一种混合波，它由TE模和TM模混合而成。鳍线的主要优点是:a.准TE10模的单模带宽比对应的矩形波导的TE10模单模带宽要宽;b.尺寸能与毫米波有源或无源器件共度，可以与多种电路集成;c.波导波长比同一频率下微带线中的波导波长长，加工公差要求比微带低;d.由标准矩形波导构成，易于在整个波导带宽内与波导系统连接。

鳍线的特性阻抗有很多的计算公式，使用最多的是如下的计算公式［7］，这一公式适用于0＜b/a≤1，1/64＜S/a≤1/4及介质基片相对介电常数在1≤εr≤3．75 的取值范围。

λ为自由空间工作波长;λg为鳍线波导波长;d为介质基片厚度。

εe为鳍线有效介电常数，λca为存在介质基片时鳍线的截止波长。

2 仿真实现

如图2(a)所示，在HFSS中建模，仿真中采用基片材料Rogers5880，介电常数为2.2，基片厚度为0.254mm，上下金属覆铜厚度为0.018mm，波导接口为标准BJ320，长度为7.12mm，宽度为3.56mm。仿真变量包括鳍线宽度W1，长度L1，阶梯高H1，以及切口尺寸b1。微带-波导过渡的初始尺寸为:

仿真参数 W1 L1 H1 b1初始值(mm) 0.6 8.3 0.3 0.2

图3 微带-波导转换实物图

图2(b)所示是微带-波导转换电场仿真结果，可以看出电场在波导腔体内能够很好的传输，达到了设计要求。

由图 4(a)、(b)、(c)、(d)、(e)可知，在频带范围内，微带-波导转换仿真插入损耗可以小于0.3dB，回波损耗优于20dB，输入输出驻波优于1.20，并且具有很好的相位一致性。

根据仿真优化结果得到的最终尺寸，加工实物，测试结果如下:

通过仿真与测试得到了很好的器件参数，满足设计要求，采用一端接标准的BJ320波导，另一端通过绝缘子烧结于微带板的形式进行微波激励。

实物测试结果表明:在频带范围内，微带-波导探针插入损耗小于0.3dB，端口驻波优于1.2，与仿真结果基本吻合，证明了该种设计方法的可行性。在后期的设计中，可以采用更先进的工艺技术，使仿真和实物达到很好的一致性，各项指标还会有优化的可能性。

图4 微带-波导过渡仿真曲线

图5 微带-波导过渡实物测试曲线

3 结论

本文设计的微带-波导转换结构，具有低损耗、宽频带、易加工等特点，可以很好的解决在毫米波频段信号传输的瓶颈问题，能够为收发组件的过渡转换提供良好的解决方案。

［1］ 薛良金.毫米波工程基础［M］.北京:国防工业出版社，1999.

［2］朱大红，齐锋，Ka波段微带-波导转换器设计［J］.微波学报，2008，24(增刊):141-144.

［3］ 爱民，韩江安，一种新型毫米波矩形微带-波导过渡结构.半导体技术，2010，35(5):458-461.

［4］Hong YiLim，Zhicheng Wei，Li Zhuo，Geok Ing Ng，Yoke Choy Leong，Design of a Full Band，Compact Waveguide-Microstrip Power Splitter Using Multilayer PCB Technology［DB］.May 2009.273-275.

［5］Zhigang Wang，Lei Xia，Bo Yan，Ruimin Xu and Yunchuan Guo.A Novel Waveguide to Microstrip Transition in Millimeter-Wave LTCC Module.IEEE International Symposium on Microwave，Antenna，Propagation，and EMC Technologies For Wireless Communications［DB］.July 2005.340-343.

［6］T.Djerafi，A.Ghiotto，and K.Wu.Antipodal Fin-Line Waveguide to Substrate Integrated Waveguide Transition.IEEE Transactions on Microwave Theory and Technology［DB］.2012，978-980.

［7］W.J.R.Hoefer.Characteristics of fin lines with arbitrary dimensions calculated from data for lines in stabded enclosures.IEEE Microwave and Wireless Components Letters［DB］.1980，261-265.