V波段微带-波导过渡设计

张运传,刘志红

(华东电子工程研究所，安徽 合肥 230031)

0 引 言

随着毫米波技术的日益发展，单片微波集成电路(MMIC)的使用越来越广泛。在毫米波集成电路中，微带线是一种十份重要的传输形式，各个单片器件的之间的连接主要使用微带线。而在远距离传输及毫米波测试系统中，具有插入损耗小、Q值高等特点的金属波导被经常使用。因此在毫米波电路和系统中迫切需要解决微带线到波导的转换问题[1]。

实现微带到波导的转换主要有探针过渡[2]、脊波导过渡[3]、对脊鳍线过渡等[4-5]。脊波导过渡加工相对复杂，而对脊鳍线过渡要产生一系列的谐振模式，如果谐振频率落在其相连的微波电路工作频率范围内，微波电路将不能正常工作。本文从应用实际出发，对三种过渡结构进行了比较，最终采用探针方式设计了一款微带-波导转换结构， 并进行了实物测试，测试结果满足指标要求。

1 波导微带探针原理分析

波导微带探针是从波导同轴探针发展而来，微带探针一般通过波导宽边的孔插入波导腔内，通过一段起耦合作用的微带线把波导中的能量耦合到微带中，该结构具有损耗低、驻波小、带宽较宽、加工方便、结构紧凑等特点。微带-波导探针一般有两种形式：

E面探针，微带探针平面和波导内的电磁波传输方向平行；

H面探针，微带探针平面和波导内的电磁波传输方向垂直。

在矩形波导中离探针四分之一波长的短路面保证探针在波导内处于最大电压，也即电场最强位置。本文的设计采用波导E面探针。

图1 波导E面耦合探针

2 波导微带探针模型设计

图2 波导-微带-波导过渡仿真模型

本文设计的波导微带探针主要用于77 GHz毫米波防撞雷达收发前端测试，设计频率范围为74～80 GHz。鉴于工程实际需要，介质基片选用石英，此材料在高频段性能优良，具有平整度高、热稳定性好、膨胀系数小、介电常数低、绝缘性好等特征。选用的石英厚度为0.127 mm，介电常数为3.78。该过渡选用的是标准矩形波导WR10,波导内截面大小为2.54 mm×1.27 mm。为了能够对过渡进行测试，设计了一个背靠背的波导-微带-波导转换结构，它是将两个微带-波导过渡结构背靠背连接在一起，这样两个输出口都为波导，便于和毫米波仪表连接进行测试，而单个过渡结构的损耗为背靠背结构损耗的一半。图2为设计的背靠背波导-微带-波导仿真模型，探针所在的平面和电磁波传输方向平行，伸入波导内的探针微带底面被腐蚀，正面导带由高低阻抗线组成，低阻抗线等效于电容，高阻抗线等效于电感，从而形成LC谐振回路，将波导中的能量耦合到微带电路中[6]。波导窗开在宽边中心，距离终端短路面λg/4，λg为波导波长，是导行系统中导模相邻同相位面之间的距离。波导窗的宽度和高度要选择适当，从而抑制波导高次模到微带腔体的耦合。

图3为经优化后的仿真结果，从图中可以看出，端口的反射系数基本小于-30 dB，插入损耗小于0.15 dB,效果良好。

图3 背靠背过渡仿真结果

3 波导微带探针测试结果分析

按照仿真优化的转换结构尺寸，实际加工制作了一个背靠背的波导-微带-波导电路，实物如图4所示。用是德公司的矢量网络分析仪N5247A对转换结构进行了测试，测试结果如图5所示。从图5中可以看出，在74～80 GHz的频率范围内插入损耗小于2.2 dB(单个波导微带损耗小于1.1 dB),回波损耗小于-15 dB，能满足实际测试需求。

图4 背靠背过渡实物图

图5 背靠背过渡测试结果

对实际测试结果和仿真结果进行对比，可以看出两者的指标曲线变化趋势不是很一致。这主要是因为石英基板的粘贴精度和腔体的加工精度无法达到要求；同时在仿真优化时没有考虑石英的损耗角。

4 结 语

本文设计了一款V波段波导-微带过渡结构，用商业高频仿真软件HFSS对过渡结构进行了仿真优化并对实物进行了测试，结果表明在74～80 GHz的频率范围内，该过渡损耗小于2.2 dB(单个波导微带损耗小于1.1 dB),驻波小于-15 dB，性能优良，能满足实际测试要求。