一种新型的波导-双带状线的等功分转换器

黄 勇，玄晓波，周小林，刘 超

（上海无线电设备研究所 上海　200090）

一种新型的波导-双带状线的等功分转换器

黄 勇，玄晓波，周小林，刘 超

（上海无线电设备研究所 上海200090）

文中提出了一种新型的波导到双带状线的过渡结构。通过多层印制板、反射腔、金属化通孔形成的约束腔体和"L"型波导构成一个准封闭的电磁通道，实现从波导到双带状线的过渡转换。仿真结果表明，在9GHz到11．5GHz的频率范围内，该过渡结构的插入损耗小于3．4dB，驻波小于1．4，相对带宽大于25%，且能实现从波导至双带状线的等幅反相过渡转换。

带状线；波导；探针-波导；过渡

随着现代军事装备朝着小型化、集成化的方向发展，集成电路在通讯、雷达、制导等领域中的运用日益广泛［1-2］。波导由于具有功率容量大、结构简单、损耗小、Q值高等特点，在微波电路与信号系统中被广泛使用。微带传输线由于其体积小，重量轻、易加工、可集成等特点，在很多运用环境中正逐渐取代金属波导，成为设计集成电路时一种重要的传输信号方式。为最大化地发挥波导和微带的各自优势，部分场合中同时使用两种传输方式，故波导-微带转换器成为一种必不可少的过渡结构。波导-微带转换器作为一种无源转换结构，其性能的好坏直接影响着系统的性能，因此，如何实现从波导到微带线的低损耗转换成了人们十分关心的重要课题。

关于微带-波导过渡结构的文献较多，主要的过渡方式有微带-鳍线-波导过渡［3］、微带-脊波导过渡［4-5］和微带探针-波导过渡［6］。其中，仅有探针型过渡能实现从多层印制板中的带状线过渡至波导。由于需在探针与带状线间进行焊接，焊接质量的好坏对过渡结构的阻抗匹配影响较大，且需将部分印制板进行开槽处理，导致多层印制板压和后易翘曲变形。另外，当传输的功率较大或长时间振动时，焊点的可靠性不易保证。

文中分析了微带-波导探针转换的微波传输特性，设计了一种新型的波导-双带状线转换器，通过该转换器可以实现从波导到两根带状线等幅反相的直接过渡，摈弃了焊接操作，且勿需对印制板进行开槽。

1　理论分析

波导-双带状线过渡由同轴探针发展而来。同轴线的外导体与矩形波导的宽壁相连，通过一段起耦合作用的探针把波导中的电场耦合到微带线上［7］，实现由TE10模到TEM模的转换，如图1（a）所示。深入波导的探针距离短路面的距离约为四分之一波长，以保证探针在波导中处于场强最强处。通过调节探针深入波导的长度和离短路面的距离，使得过渡结构达到最佳性能。将同轴线变形，外导体演变成多层印制板的底层，内导体演变成带状线，带状线具有一定宽度，通过调节带状线宽度、探入波导的长度和离短路面的距离实现阻抗匹配，如图1（b）所示。将波导一分为二，即波导被印制板贯穿，如图1（c）所示，实现波导与带状线间的转换传输。若在此基础上，将带状线沿波导窄边方向对称布置，即可实现波导至带状线的等幅反相功分，如图1（d）所示。

图1　波导-双带状线过渡结构的演变图示Fig．1　The evolution of waveguide-to-dual-stripline transition

2　结构设计与仿真分析

该过渡结构由反射腔、“L”型波导、印制板和填充材料组成，反射腔和“L”型波导正对地紧扣在印制板的上下两面上，如图2所示。印制板为5层印制板和4层半固化片压合而成，上下表层为地层，中间含有一层地层和两层信号层。反射腔的腔体具有一定深度，其腔体横向截面尺寸与“L”型波导内壁尺寸相同，腔体上壁和侧壁无开口。为实现波导的小损耗转弯，在“L”型波导的转角位置设计一个方形的调谐块。印制板与金属反射腔和“L”型波导的接触区域内的所有地层均被腐蚀掉，以实现能量的上下传递。为减小电磁泄漏［8］，在印制板上下表面之间设计一系列环绕被腐蚀区域的等间距的金属通孔。多层印制板、反射腔、印制板中的金属化孔形成的约束腔体和“L”型波导形成了一个准封闭的电磁通道，电磁波经过多次反射后有效地朝着“L”型波导进行单向传输，将带状线中传输的准TEM模转换成适宜波导传输的TE10模，实现从波导到带状线的过渡转换。为了实现匹配调谐和减小反射腔的腔体深度，在反射腔和“L”型波导的纵向波导内填充了聚四氟乙烯，其尺寸与被填充区域等大。

图2　波导-双带状线过渡转换器Fig．2　Configuration of the proposed Waveguide-todual-Stripline transition

由于波导和反射腔被印制板隔开和带状线探入了波导腔内，在波导被截断处产生了电抗。为了避免过渡结构的阻抗失配，在两相邻带状线的上方添加一个寄生带状线，如图2中的插图所示，即通过在过渡区域引入寄生电容实现带状线和波导间的阻抗匹配。

基于以上设计，利用电磁仿真软件HFSS对该结构进行了仿真和优化［9］。图3为驻波仿真结果，驻波小于1．4的带宽大于2．5 GHz，相对带宽约为25%。图4为该过渡转换器的损耗仿真结果，从8．8 GHz到11．7 GHz的频段内，波导分别到两个对称带状线的损耗均在3 dB左右，两者最大相差约0．5 dB，说明从波导到两带状线实现了等幅度的传输。在高频段，损耗S13要比损耗S12大，这是由于“L”型波导的纵向部分相对于两根带状线而言不对称造成，即在“L”型波导拐角处有一个矩形调谐块。

图3　驻波仿真结果Fig．3　Simulation results of VSWR

图4　损耗仿真结果Fig．4　Simulation results of insertion loss

图5为该过渡转换器的相位仿真结果，从8．8GHz到11．7GHz的频段内，波导到两个对称带状线的相位差均约为180°，说明从波导到两带状线的传输相位反向。

图5　相位仿真结果Fig．5　Simulation results of transmission phase

该过渡结构可以运用到众多场合，如微带双极化阵列天线，可以实现从多层印制板的辐射阵列到波导网络的直接过渡，且能实现从一个波导口对两个对称子阵列进行等幅反相地馈电。

3　结　论

文中介绍了一种新型的波导到双带状线的等功转换器的过渡结构，并给出了详细设计方法。通过多层印制板、反射腔、印制板中金属化通孔形成的约束腔体和“L”型波导形成一个准封闭的电磁通道，实现从波导到带状线的过渡转换。仿真结果表明，该过渡结构具有低损耗性能和超宽带的低驻波特性，且能通过该结构实现从波导至两带状线等幅反相的过渡转换。

［1］于宗光，陈飚，谢杰．集成电路设计方法新进展［J］．电子与封装，2008，8（7）:13-19．

［2］王毅．军用混合集成电路的现状［J］．电子元件与材料，1996， 15（2）:1-6．

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［4］Frank J．Villegas，D．Ian Stones，H．Alfred Hung．A novel waveguide-to-microstrip transition for millimeter-wave module application［J］．EEE MTT，1999，47（1）:48-55．

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［6］付骥，胡皓全．W波段波导-微带探针过渡设计［J］．微波学报，2010，28（S1）:305-307．

［7］帅春江．基于Matlab微带线静电场分析［J］．电子设计工程，2011（21）:84-86．

［8］鲁希团，刘少华，藏频阳．某加固网络交换机电磁幅射超标的分析与改进［J］．电子科技，2014（6）:75-77．

［9］王扬智，韦高．基于HFSS新型宽频带微带天线仿真设计［J］．系统仿真党报，2007（11）:2603-2606．

A novel waveguide-to-dual-stripline transition with equal power

HUANG Yong，XUAN Xiao-bo，ZHOU Xiao-lin，LIU Chao
（Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China）

In this paper，a novel waveguide-to-dual-stripline transition is proposed．The electric field in rectangular waveguide can be transmitter to a dual-stripline by a quasi-enclosed channel consists of multilayer Printed Circuit Board，a reflection cavity，a cavity made from a series of shorting via and an L-shaped waveguide．The simulated results show that the insertion loss less than 3．4dB，VSWR less than 1．4 in the range of 9-11．5GHz，the relative bandwidth is more than 25%．The electric field can transmit with equally amplitude and anti-phase，exhibits good consistency in both magnitude and phase between two output ports．

waveguide；stripline；probe-to-waveguide；transition

TN828

A

1674－6236（2016）02-0093-03

2015-03-28稿件编号：201503412

国家自然科学基金（61201116）

黄 勇（1982—），男，湖北巴东人，硕士研究生，工程师。研究方向：超宽带与双极化天线研究。