一种新型Ku波段波导微带双探针过渡结构

范高生 刘维满 卿安永

摘要：提出了一种Ku波段波导与探针内信号传播方向相互平行的设计方法，该方法基于波导-微带双探针结构，通过波导弯头将信号改变90°，从而使波导与探针内信号的传播方向相互平行，并利用双探针结构集成了功率分配的功能。产品测试结果表明，该过渡结构在14GHz～18GHz内插入损耗小于3.1dB，输入回波损耗大于19dB，性能较好，具有一定的工程应用价值。

关键词：波导；微带；双探针；过渡结构

中图分类号：TN603.5 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2018）08-0172-03

波导-微带过渡结构是各种雷达、通讯、电子对抗系统中最重要的一种无源器件，也是各系统的重要组成部分，其性能的好坏直接影响系统的整体性能。

目前比较常用的波导-微带过渡结构有：阶梯脊波导过渡、对脊鳍线过渡和耦合探针过渡[1-5]。其中，阶梯脊波导过渡的特点是信号在波导-微带中的传输方向相互平行，但主要缺点是体积较大、加工时工艺要求高、设计成本增加；对脊鳍线过渡的的特点也是信号在波导-微带中的传输方向相互平行，主要缺点是插入损耗较大、体积较大且结构复杂，同样不利于生产加工；耦合探针过渡的特点是信号在波导-微带中的传输方向相互正交，优势是结构体积较小、简单且安装方便，在当前毫米波波段工程设计中具有重要的应用价值[6]。

传统波导-微带耦合探针过渡模型如图1所示，技术原理如下：探针从波导宽边中心插入，通过耦合作用，将波导中的电场耦合到微带线。能量在波导-微带线之间转换时，探针的作用就类似于一个发射-接收天线。微带线中的能量发射至波导中时，探针起着“发射天线”的作用；反之，当波导中的能量转换至微带线时，探针就起着“接收天线”的作用。

上述模型中，探针应置于距波导短路面约1/4λ（λ即波长）的位置。这样，信号从经过探针到被短路面反射、到再次经过探针，共1/2λ，这样就保证了探针处于波导中的电压最大值（电场最强）处，从而实现最大耦合。

1 波导-微带双探针结构设计原理

对于波导-微带能量相互正交的场合，上述传统模型是可以满足需求的，因为信号在波导-微带中的传输方向是相互垂直的。对于波导-微带能量相互平行的场合，通常需采用波导-脊波导-微带过渡结构或波导-对脊鳍线-微带过渡结构，但波导-脊波导-微带过渡不易实现脊波导与微带的有效连接，波导-对脊鳍线-微带过渡尺寸较大、损耗也偏大，都不太能够满足实际工程中的应用需求。

为了解决上述问题，本文对传统波导-微带探针结构进行了改进，提出了一种新型波导-微带双探针过渡结构的设计方法，如图2所示。该设计采用双探针对称放置方式，探针距短路面1/4λ，通过波导90°转角弯头，使能量在波导-微带中的传输方向相互平行。该设计的另一个优势是集成了功率分配器的功能，使能量均分地耦合到双探针上。该设计在充分实现上述功能的同时，保持了体积较小的优势。

实际应用中，工程器件的总体高度为18mm，输入波导口的尺寸固定为。为了提高双探针间的隔离度，使得更多的能量向双探针耦合，探针间的距离就需要增大，即需要在波导短路面和90°转角弯头间提高波导的宽度与高度空间。拓宽后的高度空间，理论上不能超过工件总体高度减去波导自身的厚度。为了降低插入损耗，使信号能够顺利通过90°转角，本文设计中采用了波导匹配阶梯结构。

图2设计中，表示探针插入深度，表示探针间的距离，和表示探针在波导宽边开槽的位置，表示波导短路面的圆切角半径，表示波导90°转角的圆切角半径，和表示阶梯波导的宽度，和表示阶梯波导的高度，表示波导短路面窄边宽度。 r1表示探针的内导体柱半径，其中r1=0.3mm；r2表示探针的外导体柱半径，其中r2=1.0mm；中间介质层为Roger公司的Duriod 5880基片，介电常数。

2 设计与优化分析

工程应用中使用HFSS作为设计软件，以图2为基础建立设计模型，几何三视图如图3所示。

产品组件的测试结果见图4。在14～18GHz频带范围内的测试结果表明，插入损耗的测试值在3.00dB～3.10dB之間，平坦度为0.05dB，说明插入损耗较低，详见图4（a）；回波损耗的测试值在19 dB～38dB之间，大于19 dB，性能较好，详见图4（b）。以上数据证明了该产品组件满足实际工程应用的需求。

3 结语

本文提出了一种新型波导-微带双探针设计结构，该结构使波导-探针内信号的传输方向相互平行，并利用了双探针结构，集成了功率分配器的功能。该过渡结构在14～18GHz频带内插入损耗小于3.1dB，输入回波损耗大于19dB，性能较好，极具工程应用价值。本文产品组件设计在雷达、通讯、电子对抗等系统的应用中均可发挥重要作用，目前已成功应用于某有源相控阵雷达T/R组件中。

参考文献

[1]薛良金.毫米波工程基础[M].北京：国防工业出版社，1998.

[2]赵阳阳，江兆平，向培胜.新型波导-微带对脊鳍线过渡设计[J].电讯技术，2008，48（7）：46-49.

[3]Ho T Q， Shih Y C， Shih Y C. Spectral-domain analysis of E -plane waveguide to microstrip transitions[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques， 1989， 37（2）：388-392.

[4]Lee H， Itoh T. A systematic optimum design of waveguide-to-microstrip transition[J]. IEEE Transactions on Microwave Theory & Techniques，1997，45（5）：803-809.

[5]Leong Y C， Weinreb S. Full Band Waveguide-to-Microstrip Probe Transition[C].Microwave Symposium Digest，1999.IEEE MTT-S International， Anaheim，1999，1435-1438.

[6]张荣挥，唐小宏，何宗锐.Ka波段宽带波导—微带探针过渡设计[A].中国电子学会.2003'全国微波毫米波会议论文集[C].中国电子学会：中国电子学会微波分会，2003：4.