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Ka频段宽带波导微带过渡设计 摘要：宽带低损耗波导微带过渡的设计是实现波导微带转换的关键部件。根据设计目标，分析比较了多种波导微带转换的设计思路，提出了波导微带微带探针的设计方案，用高频结构仿真软件（HFSS）对该波导微带微带探针转换结构进行了建模和设计仿真，并给出了工作频率范围在26.5GHz～40GHz的设计实例，并对测试指标和仿真曲线进行了对比分析。结果表明设计的Ka频段宽带波导微带过渡具有良好的工程实用价值。 关键词：毫米波 魔T 合成器 波导 中图分类号：TN622 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2013）12-0138-02 在毫米波频段，主要的传输线有波导和平面传输线两种。随着平面传输媒介的研究发展，混合集成电路、单片集成电路应用的日趋广泛，微带电路已在越来越多的场合取代金属空波导，成为微波、毫米波电路的重要传输线。然而，目前许多毫米波测试系统和器件仍采用金属空波导。因此，如何实现低损耗的波导与微带线的转换就成了微波毫米波技术研究的重要内容。 标准矩形波导与微带线转换有多种转换形式，参考文献[1]、[2] [3]分别对Ka频段波导微带的过渡结构进行了相应的研究设计。 本文从工程实际出发，对各种波导微带过渡方式进行理论分析和比较，最终采用波导微带探针过渡结构，并使用三维电磁仿真软件HFSS进行了仿真，并制作了实物，进行了测试。 1 设计目标 根据某项目要求，要求设计一个波导到微带的转换，指标如下： 频率范围：26.5～40GHz；插入损耗： 1dB。 2 过渡方式选择 在进行任何微波电路的仿真设计之前需要首先确定介质基板。介质基板是微波电磁场的传输媒质，又是电路的支撑体，它的特性直接决定了微带电路的损耗特性。目前可用于毫米波频段的介质基板主要有：99.6%氧化铝陶瓷、Rogers5880、蓝宝石、石英等。综合各方面因素考虑，最终选用的介质基材为0.254mm的Rogers5580（介电常数2.2），该材料介电常数较低，损耗较小。以下仿真和设计均基于该基片进行设计。 波导到微带的过渡方式根据过渡方式的不同有如下几种，波导微带开槽过渡、波导微带对级鳍线过渡、波导微带脊波导过渡和波导微带探针过渡。如图1所示。下面分别对以上几种过渡方式进行相应的理论分析。 波导微带开槽过渡采用坐在波导宽边开槽耦合实现的一种过渡结构，其带宽较窄，一般只能实现窄带和点频的过渡，过渡结构的相对带宽约为5%。考虑到本项目的合成带宽，不采用波导开槽过渡结构方式。 波导微带对级鳍线过渡是采用对级鳍线实现微带和波导场转换和阻抗匹配的一种共轴过渡结构，鳍线过渡具有结构简单，装配工艺重复性较好，带宽较宽等特点。过渡的线型可选择为指数曲线、余弦曲线或样条曲线，都可获得良好的过渡性能，为了获得一个波导带宽的过渡，过渡的长度需要一个波导波长以上，在Ka频段波导微带鳍线过渡的长度约为12mm，由于过渡长度较长，不利于结构的小型化，同时过渡的长度太长带来过渡损耗的加大，因此不予采用。 波导微带脊波导过渡是采用从波导宽边延伸出的脊波导作为波导到微带的阻抗变换一种过渡方式，该过渡形式损耗较小，带宽较宽。但由于脊波导过渡对机械加工的要求很高，且脊波导过渡的性能很大程度依赖于脊波导过渡末端金属脊和微带的接触，在实际装配中很难保证重复性和一致性。因此这种过渡方式很难保证过渡的相位一致性，因此不予采用。 基于电场耦合的E面探针过渡是目前毫米波频段使用最为广泛的过渡形式，具有结构简单、尺寸较小、带宽较宽、大容差等特点，它是将微带探针通过波导宽边开孔插入波导腔中，通过一段起耦合探针作用的微带线把波导中的电场耦合到微带中去。矩形波导中距离过渡器 四分之以波长的短路活塞起保证探针在波导内处于最大电压，即电场最强位置的作用。它的优点是：插入损耗低，具有较大工作带宽，且其结构紧凑，加工方便，装卸容易。在波导-微带探针过渡的实际设计中，微带介质基片覆盖整个波导横截面，耦合孔开在波导的宽边，耦合孔尺寸需要设计适当，要尽量将能量集中在微带上，以抑制高次模耦合到微带电路的腔体中，且狭缝要有足够的高度，以免影响微带的场结构。由于探针过渡具有容性电抗，一段具有感性电抗的高阻抗线被串联在探针过渡器后面，以消除容性电抗。在这种结构中采用阻抗变换的优点在于使过渡段乃至整个电路更为紧凑。 在Ka频段，微带探针过渡的长度不超过2mm，因此尺寸上微带探针要小于鳍线过渡很多，频率越低，这个优势越明显。 因此从减小损耗，小型化设计的角度考虑，波导微带过渡方式选择为微带E面探针过渡。 3 仿真、加工和测试 采用三维场全波仿真软件HFSS对波导微带探针进行建模。图2是波导微带探针过渡在HFSS中的建模示意图；图3是波导微带探针过渡在HFSS中的仿真曲线。 从仿真结果可以看出，该波导微带过渡在26GHz～4