宽带波导－微带过渡设计

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                1  引言

                        矩形金属波导是微波/毫米波频段的重要传输线形式，由于其高功率容量和低损耗的特性，在各种微波/毫米波的天线、接收机、发射机、测试测量和低损耗部件中有广泛的应用。目前，由于大多数固态器件（MIC,MMIC）都是基于平面电路应用，其中绝大部分为微带电路。微带－波导过渡作为为连接片面电路与波导系统的重要形式。具有体积小，结构简单，频带宽、损耗小等优点，因而得到了广泛的应用。
                         
                        关于微带－波导过渡的分析、设计的文献较多，有的还给出了特定形式下的设计参数，但由于在实际运用中，工作频段、安装方式以及介质基片与文献中不尽相同，需要设计师自行设计，而目前设计的方法多采用电磁场仿真软件进行参数计算、优化，过程繁琐，耗时巨大。提出了一种将电磁场仿真软件与电路仿真软件相结合的方法，可节省大量时间，但由于电路仿真软件模型的不严格，使得最终结果与全电磁仿真软件有所出入，需要进一步调整参数。
                         
                        本文介绍一种微带－波导过渡的CAD设计方法，利用商用3维电磁仿真软件Ansoft HFSS的后处理功能，将通常需要进行场仿真计算的的5维变量，减少为2维半。且仿真结果与实际模型十分一致，从而快速、准确地完成微带－波导过渡的设计。
                         
                        2  设计方法

                        目前常用的微带－波导过渡的方式为2种，都是将微带探针从波导宽边的中心插入，一种的介质面垂直与波导传输方向，称为H面探针，如图1所示，另一种介质面平行于波导传输方向，称为E面探针，如图2所示。本文介绍的方法对两种微带－波导过渡方式均适用，下面以Ka频段的E面探针为例，详细介绍微带－波导过渡的设计方法。该方法适用于其他频段的波导－微带过渡设计。
                         
       

               

       

                图1  H面探针

       

               

       

                图2  E面探针

                         
                        微带—波导过渡的构成形式如图3所示，探针从波导宽边的中心插入，在波导开窗处用一段匹配段将阻抗匹配至50欧姆，由于匹配段的宽度通常比50欧姆传输线要细，因此将其称为高阻线。在某些情况下，除了高阻线还需要采用一段1/4波长的阻抗变换段将阻抗匹配至50欧姆，以方便和MMIC相连。
                         
       

               

       

               

       

                图3  微带－波导过渡的基本形式

                         
                        对微带－波导过渡性能有较大影响的电路参数共5个，由表1列出。探针插入处波导开窗的大小对性能也有一定影响，在设计时可先将其确定。一般的原则是开窗越小越小越好，以形成截至波导。由于需要仿真来确定的电路参数较多，如果在电磁仿真软件中进行一个5维的参数扫描，将耗费大量时间，而且难以得到最优值。通过等效模型和端口后处理，可以将需要在场仿真运算中扫描的参数减少到2.5维。
                 
                        表1  影响微带－波导过渡性能的参数
       

探针长度	探针宽度	高阻线                                                                                         长度	高阻线                                                                                         宽度	波导短路面距离
L	W	L1	W1	D

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        在计算出的结果中选取最优值，确定微带－波导过渡的最后两个参数：高阻线长度L1和高阻线宽度W1。选取的方法跟第一相同，选取的原则为：1、输入阻抗尽量靠近理想匹配点。2、输入阻抗随频率的变化尽量小。
         
        最后，将所确定的参数代入图6（C）所示的模型中进行一次场仿真运算，以验证等效模型的准确性。从图7中可以看出，等效模型的仿真结果与实际模型十分一致，从而可以验证，采用上述的设计方法，不仅可以节省大量时间，同时也可以保证其结果的准确性。
         

       

        图7  最优值选取

                 

        等效模型                                       实际模型

        图（7－a）仿真结果对比－S参数

                    

        实际模型                                             等效模型

        图（7－b）仿真结果对比－输入阻抗

         
        3  测试结果

        利用上述方法，设计了一个H面微带－波导过渡，采用标准BJ320波导，基片介质为0.127mm厚度的ROGERS 5880，介电常数2.2。设计参数如下：
        表2  微带波导过渡设计参数（单位：毫米）

探针长度	探针宽度	高阻线长度	高阻线宽度	波导短路面距离
1.85	0.6	0.4	0.15	2.65

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