韩玉朝 孔令甲 李德才

（中国电子科技集团公司第十三研究所 河北省石家庄市 050051）

随着微波毫米波技术在无线通讯、安检成像以及雷达系统中应用的逐渐增多, 低成本、高可靠性的微波毫米波单片集成电路（MMIC） 的使用也日趋广泛，而电磁波往往需要在不同形式、材料的介质中传播，因此波的转换过渡显得尤为重要。矩形波导因其损耗小、性能优的特点，在毫米波技术中的应用十分普遍，微带线则是毫米波集成电路中非常重要的传输形式，所以微带转波导结构在毫米波领域是一种非常重要的过渡结构，广泛的应用于毫米波产品的输入、输出端口，其性能直接影响整个毫米波器件性能的优劣，在毫米波器件设计过程中必须着重考虑。这就要求在使用集成芯片的微波系统中寻找一种低损耗、低成本、易加工制作的微带转波导结构，这些结构需要在不同的特性阻抗之间完成阻抗变换，使电磁波能够有效、可靠的传输。

关于微带转波导结构的研究已经广泛存在，目前工程上主要应用的微带转波导结构有三种：阶梯加脊波导过渡结构、对极鳍线过渡结构和耦合探针过渡结构，其中阶梯加脊波导过渡结构相对复杂，加工成本贵且精度要求较高；耦合探针过渡结构是采用陶瓷或石英等介质作为E 面探针耦合波导腔内的微波信号，再通过键合、焊接等方式进行信号传输，这种结构比较简单，价格相对低廉，故在目前工程中的使用较为普遍，但在毫米波频段应用时存在其固有的劣势，在工艺装配操作上相对复杂，定位精度要求较高，工艺控制难度大，且集成度低，装配一致性差，甚至会导致毫米波信号传输不正常。

1 微带转波导过渡结构

本文提出了一种基于多层混压板的微带转波导结构设计。以5mil 的微波射频板作为射频传输介质、环氧树脂板作为直流控制信号的载体进行混压。多层PCB 集成式的微带转波导结构如图1 所示：微带探针电路图形集成在微波射频板的顶层金属上，波导结构通过多层PCB 板通孔加PCB机械钻孔形成空气波导，以机加工盒体具有一定深度的腔体面作为波导反射面。微波信号通过射频板的顶层微带线输入，经过集成式探针结构、PCB 非金属化盲槽到金属反射面时进行发射，垂直向上进入矩形波导，实现微带转波导传输。该结构集成度高，介质板有足够的硬度，工艺操作简单且一致性好、可生产性强。整个传输过程微波信号共地连续，性能优异，具有非常广阔的工程应用前景。

图1： 微带转波导示意图

2 原理与仿真

耦合探针过渡结构包括同轴探针过渡和微带探针过渡，波导微带探针过渡是由波导同轴探针演变而来，波导微带探针结构包括两种：H 面耦合探针和E 面耦合探针。H 面耦合探针是指微带探针的平面法向方向同矩形波导内微波信号的传输方向平行，E 面耦合探针是指微带探针的平面法向方向同矩形波导内微波信号的传输方向垂直，二者相比，E 面耦合探针比H 面耦合探针切断波导壁的电流少，泄漏小，所以性能相对较好，本文采用的是E 面耦合探针转波导。

微带线中电磁场的传播主模式为准TEM 模，其电场与磁场表达式如下所示：

波导中电磁场传输的主模为TE模，其电场与磁场的表达式如下所示：

根据上述理论分析，微带转波导过渡结构的关键在于通过微带探针形成的激励模式，使在矩形波导的截面建立的电场，与需要激励的TE模的电场分布一致，且电场幅度尽量大。通过计算微带探针在矩形波导中的输入阻抗，并加入一段匹配微带线，实现波导与50Ω 微带线的阻抗匹配。矩形波导在TE模下，微带探针的输入阻抗为：

其中a、b 为矩形波导的长边和短边的长度，η 为空气波阻抗，k 为传播常数，β为矩形波导TE模式的相移常数，d 为探针的长度，L 为短路面的距离。由上式可知，矩形波导在TE模下，微带探针的输入阻抗是由短路面的距离L和探针长度d 决定的，通过调节L 和d 的值，可使微带探针的阻抗和微带线阻抗相匹配，实现信号的高效传输。微带转波导结构简化模型如图2 所示。

图2： 微带转波导简化模型

Ka 波段标准矩形波导的内截面尺寸为：a×b=7.112mm×3.556mm。在微波理论中，矩形波导可等效为均匀传输线，传输线上的波是由入射波和反射波叠加，反射波的大小取决于传输线终端连接的负载，负载不同，波的分布也不同，传输状态亦不同。经分析，当终端短路时，离终端λ/4 处波会全反射，入射波电压和反射波电压叠加到最大，此时获得的能量最大，损耗最小。因此，探针宜从波导的宽口中心处探入，且耦合缝隙的高度选择适中。根据分析，其余参数当微带探针宽度W=0.63mm，探针长度d=1.6mm，反射面距离L=2.08mm，其中PCB 盲槽深度为0.9mm，波导反射腔深度为0.88mm 时，整个传输结构在27GHz ～38GHz 频带内，端口回波损耗优于-20dB，插入损耗优于-0.2dB，实现了毫米波信号的优良传输。根据上述具体参数分析，建模如图3所示，图3(a)为模型正面，图3(b)为模型背面：

图3： 仿真模型正反面

在上述仿真的基础上对微带探针的长度和宽度、探针探入波导腔的位置以及反射面距离进行联合优化，得到目标频带（27GHz ～38GHz）内指标良好的最终模型，仿真结果如图4 所示，回波损耗优于-20dB，插入损耗优于0.3dB。

图4： 回波损耗&插入损耗的仿真结果

3 实际产品设计与测试

为了进一步验证仿真结论，按照上述分析的设计思路与仿真结果，将微带转波导结构用于一款十六通道毫米波接收组件，组件的通道间距为9.6mm。实际加工的多层PCB 板正、反面结构如图5(a)、5(b)所示、金属反射腔体结构如图5c 所示。

图5： 实际加工的多层PCB 正反面与金属反射腔体

多层PCB 板用螺钉固定到金属反射腔体上，用矢量网络分析仪对组装好的接收组件进行端口回波测试，测得的结果如图6 所示，可看出在目标频带（27GHz ～38GHz）内，整体结构的回波损耗优于-16dB，实际测试结果比仿真结果稍差，但可以满足工程化的应用。由于接收组件的集成化，无法直接测试微带转波导结构的插入损耗，但是可以根据接收组件整体的损耗，结合仿真模型进行大致估算，微带转波导结构的插入损耗小于0.4dB。

图6： 回波损耗实测值

对于实际测试的回波损耗比仿真值稍差，原因可能是：在工程实际加工中，PCB 盲槽深度、波导反射腔的深度存在一定的加工误差。基于此，在高倍测量显微镜下，测量PCB 盲槽及波导反射腔的深度，得到PCB 非金属化盲槽的深度为0.81mm，金属波导反射腔的深度为0.85mm，而仿真模型的设置值分别为0.9mm、0.88mm，可看出实际加工存在一定的误差，但基本在误差范围之内。将深度的实际测量值带入到仿真模型，结合实际工程上的加工误差，分析多层PCB 盲槽深度的误差较大，金属波导反射腔的误差较小，因此取PCB 盲槽深度的范围（0.8 ～0.9）mm，波导反射腔深度的范围（0.85 ～0.9）mm，步进均取0.02mm进行仿真拟合，其中最差的结果如图7 所示：在目标频带（27GHz ～38GHz）内的回波损耗比之前的仿真结果略微变差，但依然优于-18dB，而且同实际测试曲线基本吻合。

图7： 回波损耗拟合仿真结果

4 结论

介绍了一种多层混压板集成式微带转波导的设计方法，对其工作原理及仿真思路做了详细分析，在Ka 波段覆盖27GHz ～38GHz 频带内实现了毫米波信号的优良传输，并加工了实际结构，将其用于毫米波接收组件产品进行测试，实际回波损耗优于-15dB。对工程应用中实际加工可能存在的误差做了相对分析并进行仿真拟合，得到良好的结果。该结构具有宽频带、低损耗的特点，设计结构相对简单，加工一致性好，在微波毫米波领域具有非常广阔的应用前景。