一种采用集成波导过渡的同轴转带状线结构设计

汤晓东，周彪，孔令甲

（中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄 050051）

0 引 言

同轴转带状线结构在微波领域是一种非常重的过渡结构，广泛地应用于微波器件的馈入、馈出端口，其性能的优劣直接影响整个微波器件性能的优劣，是微波器件设计过程中必须着重设计的一项内容。

常规的直接接触式同轴转带状线结构在毫米波频段应用时存在其固有的劣势，当印制板为多层板厚度较厚时，射频接头同轴端与微带线端的地回路比较长，无法实现良好的接地效果，微波信号传输至转换端口时会出现非严重的辐射效应，从而导致较大的传输损耗，甚至会使信号产生谐振，导致信号失真，无法正常传输。

为解决上述问题，本文拟采用波导-同轴这种无接触式的耦合变换结构。关于波导同轴变换结构的研究早已广泛存在。王洁等介绍了一种小型化气密的波导-同轴转换器，提出了单探针激励的模型，并详细分析了其等效电路模型；王兆辉等研制了一款从波导窄边馈电的波导-同轴变换工程，从场的角度分析了变换过程中波导中TE模为主模的电磁波与同轴传输中以TEM 模为主模的电磁波之间的耦合效应。

本文另辟蹊径采用集成波导作为过渡媒介，通过同轴-波导以及波导-同轴的两次耦合变换来实现同轴至带状线的过渡。首先在同轴端微波信号馈入后，以E 面探针耦合的方式将微波信号耦合到集成波导中，实现第一次由同轴至集成波导的传输转换；微波信号在介质波导中传输一定距离后再次使用E 面探针耦合的方式将微波信号耦合至带状线上，从而实现微波信号无接触式的耦合过渡。整个传输过程微波信号接地连续，电磁屏蔽效果良好，微波性能优异，具有广阔的工程化应用前景。

1 原理分析

本次设计中通过同轴-波导及波导-同轴的两次转换实现微波的传输，下面对同轴-波导的变换过程中电磁场的耦合路径进行分析。

同轴端电磁场的传播主模为TEM 模，其电场与磁场表达式如下所示：

集成波导中其传输的主模为TE模，其中环绕封闭形成回路的为磁场线，垂直于集成波导长边的为电场线，其电场与磁场的表达式如下：

基于上述的理论分析，对本设计中的两次同轴-波导变化进行更具体的原理建模，一级同轴-波导的过渡可以具体为下面的物理模型，其传播方向电场与截面方向分布如图1所示。

图1 集成波导传播与截面方向电场分布图

通过麦克斯韦方程分析可知，波导的宽边尺寸A、窄边尺寸B、插入深度H、插入位置距离短路面的距离L 决定了集成波导中插入探针的端口阻抗，若想实现良好的微波过渡，需使探针上的特征阻抗与波导内传输的特征阻抗相匹配，经计算当A=4.8 mm、B=0.47 mm、H=0.75 mm、L=1.65 mm时可以在目标频段内使得同轴端与集成波导端特征阻抗相匹配，实现良好的微波过渡传输。

二级波导-同轴过渡时以微带线作为E 面探针，当微波信号在波导口传入后，会在与波导壁相连的内导体上发生磁耦合，进而在内导体上激励出电流，电流方向由沿着内导体纵向分布，从而实现能量的过渡。经分析，微带探针的尺寸以及过渡结构的阻抗对两端特征阻抗的匹配具有关键的作用。

2 仿真设计

经过上述的详细分析，现将本文中的原理模型分成第一级同轴-波导和第二级波导-带状线两部分来建模仿真，分析如下。

2.1 一级同轴-波导

在第一次同轴-波导变换时对探针阻抗有较大影响的是波导的宽边尺寸A、窄边尺寸B、探针插入深度H、探针距离反射腔的距离L 等四个因素，在HFSS 中建立其物理模型，以多层印制板为传输载板，以SMA 连接器插入的绝缘子为馈入端口，以绝缘子下端露出的金属导体为探针，在多层印制板上开盲孔作为探针的插装孔，以上述描述的模型建立仿真模型，如图2所示，其仿真结果如图3所示。通过仿真可以看到当A、B、H 与L 在变化时探针阻抗跟随其变化的情况，选取合适值作为本模型的最优解。本文最终选取A 的值为4.8 mm，B 的值为0.474 mm，H 的值为0.8 mm，L 的值为1.775 mm，此时一级同轴-波导结构可以很好地实现微波信号在目标频带（27 GHz ～30 GHz）带内的过渡传输，端口回波损耗带内可达-20 dB，插入损耗带内为0.3 dB，并且实现了过渡界面连续离地，微波信号辐射能量极低，电磁屏蔽效果良好。

图2 一级同轴-波导结构仿真模型

图3 一级同轴-波导结构仿真结果

2.2 二级波导-同轴

二级波导-同轴结构如图4所示，在印制板中间设置带状线探针，通过地孔实现探针连接到波导侧壁。当微波信号在波导端激励时，在探针界面会发生磁耦合，波导中传输的TE10 模的电磁波的能量会耦合到带状线中，以TEM 模的形式继续传输，转换前后的微波信号磁场方向一致。

为了实现良好的二级波导-同轴微波过渡匹配，提升过渡结构的工作带宽，采用多阶渐变的过渡匹配结构实现良好的波导-同轴的阻抗匹配，阶数越多，理论上可以实现的工作频带就越宽。通过使用仿真软件多次仿真优化最终设计为图4中的匹配过渡结构，此时二级同轴-波导结构同样可以很好地实现微波信号在目标频带（27 GHz ～30 GHz）带内的过渡传输，端口回波损耗带内可达-20 dB，插入损耗带内为0.4 dB，实现了介质波导中的电磁信号向最终目标带状线的传输过渡，传输效果良好。其仿真结果如图5所示。

图4 二级波导-同轴结构仿真模型图

图5 二级波导-同轴结构仿真结果

2.3 整体结构

将上述两种过渡结构结合起来，最终实现本文的目标以集成波导为过渡媒介使得毫米波信号实现由绝缘子同轴传输转换为带状线传输，两次转换过程均实现了微波信号传输阻抗的良好匹配，整个传输过程损耗小；并且该结构集成度高，便于微波模块的集成应用与信号的后续处理；同时转换过程均保证了良好的接地接触，微波屏蔽效果良好，抗电磁干扰能力强。综合考虑器件的可测试性，将上述整体结构设计为对背结构，便于后续的集成测试。其整体结构示意图如图6所示。

图6 对背结构仿真模型

在上面整体仿真的基础上对个别参数进行微调，最终得到目标频带（27 GHz ～30 GHz）内指标良好的模型，整个传输结构插入损耗为1.6 dB，端口回波损耗可达-20 dB，指标非常理想，满足实用的需求，对背结构综合仿真结果如图7所示。

图7 对背结构仿真结果

3 产品设计与测试

按照上面的设计思路，将模型拆分成三部分进行加工，（1）为绝缘子插入块，其结构如图8（a）所示，其上安装2.92-K 型射频连接器，用于实现微波信号的同轴馈入，其下焊接同轴绝缘子，作为第一级同轴-波导转换时的探针，同轴绝缘子的探针端插入微波印制板上的互连孔中；（2）为微波印制板，其结构如图8（b）所示，其主要功能为承接同轴绝缘子馈入的信号，并以集成波导作为传输媒介将微波信号进一步传输下去，同时在其Mid1 层设置探针转换结构，实现二次波导-同轴的转换；（3）为衬底，其结构如图8（c）所示，其主要起结构支撑的作用，保证微波印制板的平整性，避免因微波板形变引入测试误差。

图8 产品实物图

将上述部分结构件进行组装并用矢量网络分析仪对其进行测试，测得插入损耗2.3 dB 左右，结合仿真去除中间传输带线损耗，单个过渡口转换损耗为0.5 dB，目标频带内（27 GHz ～30 GHz）回波损耗优于-15 dB，测试曲线与仿真曲线高度拟合。其测试结果如图9所示。

图9 产品实物测试曲线

4 结 论

介绍了一种采用集成波导过渡的同轴转带状线结构的设计方法，对其工作原理与仿真设计进行了详细的说明，并加工了实际产品进行了测试，最终测试结果与仿真设计高度拟合，在目标频带（27 GHz ～30 GHz）内实现了微波信号的全屏蔽低损传输，回波损耗优于-15 dB，单端口传输损耗仅为0.5 dB。这种过渡结构在毫米波领域拥有广阔的应用前景。