Ka波段宽带波导微带变换设计

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                1  引言

                        在使用波导接口的毫米波系统中，同时利用微带电路集成度高的特点时波导微带过渡结构是必不可少的。电路中波导微带过渡要求低损耗、宽频段、易于加工等特点，目前过渡形式主要存在以下方式：鳍线过渡、小孔耦合、脊波导过渡以及E-面探针方式，这些形式各有长短，适合不同场合。本文采用高频电磁场仿真软件HFSS快速设计出E-面探针方式的波导--微带过渡结构，采用全波分析法相较于谱域分析会更精确、快速，通过仿真设计以及实物测试达到较好的结果，在30GHz～40GHz的频段内驻波<1.5,插损<1dB的良好指标。
                         
                        2  快速设计原理

                        E-面探针方式的波导--微带过渡结构如图1所示，探针通过在波导面的开窗深入波导内，开窗尺寸既要利于装配同时要尽量小以减少对波导传输性能的影响，同时形成的波导截止频率应在工作频率之外。探针长度D、宽度WP以及离波导短路面的距离L均能影响探针从波导宽边看过去的随频率变化的阻抗。变换设计的一个最重要工作就是首先综合计算出上述三个参数使得探针阻抗随频率变化而变化的范围尽量小。阻抗此时显示为实部和容性虚部，所以为了将阻抗匹配至50欧姆，须和探针传接一个高阻抗感性微带线其宽度为WI、长度为LI,然后通过1/4波长微带线最终将阻抗变换匹配至50欧姆。
                         
       

               

       

                图1  E面探针过渡结构

                         
                        3  仿真及测试结果

                        波导微带变换可以方便的在HFSS中进行建模，模型如图2（a）所示，其中微带线采用氧化铝陶瓷基板，因为采用薄膜工艺生成的微带线能够满足在毫米波频段对高精度的要求。
                         
                        采用HFSS建模仿真得到仿真流程如下：首先综合优化探针长度D、宽度WP以及离波导短路面的距离L，使得从波导壁为端面的探针阻抗在宽带范围内对频率不敏感，仿真结果如图2（b）。由图2（b）可知此时探针阻抗为一容性阻抗，为了匹配至50欧姆，需要探针端接高阻抗线，优化高阻抗线宽度WI、长度LI，匹配探针阻抗至虚部消失，匹配结果如图2（c）所示，此时端口阻抗约为37.5欧姆。最后通过1/4波长微带线最终将阻抗匹配至50欧姆，匹配结果如图2（d）所示，此时在30GHz～40GHz的频段内阻抗基本匹配至50欧姆。
                         
                        同时仿真计算应考虑实际加工以及装配误差，仿真应进行相应的容差分析，在此分析基础上对结构参数作相应调整以降低装配及加工因素对性能的影响。
                         
       

               

       

                （a）

       

               

       

                （b）

                 
       

               

       

                (c)

       

               

       

                (d)

       

                图2  HFSS建模及仿真结果

                         
                        为了便于测试，一对波导微带变换采用背对背方式连接，微带采用介电常数9.8的氧化铝陶瓷基板加工，基板厚度0.25mm;陶瓷板长度为10mm; 波导采用BJ-320标准波导，测试结果如图3所示（dB(3,4)、VSWR3为仿真结果，dB(2,1)、VSWR1为测试结果）。由测试结果可知在30GHz～40GHz频段内两个波导微带变换以及微带线损耗<1dB,VSWR<1.5，扣除微带线损耗以及波导损耗0.4～0.6 dB,可估算出波导微带变换差损<0.3dB。同时由图3可以看到驻波的仿真结果与测试结果相差不大，测试的插损较仿真值大0.6dB,原因是因为仿真时对波导以及微带线设置均为理想状态所致。
                         
       

               

       

                图3  仿真及测试结果

                         
                        4  结论

                        本文介绍了一种采用HFSS快速设计微带波导变换的方法，通过仿真以及试验验证均能取得良好的性能，试制的Ka波导微带变换能够用于各种波导接口毫米波系统中，同时该设计方法同样适用于更高频段的波导微带变换。