黄 鹤 ，赵春晖 ， 朱 燕 ， 李 翔

(1．西北工业大学，陕西 西安 710072;2．安康学院，陕西 西安725000;3．中国电子科技集团公司第十三研究所，河北 石家庄050051)

随着毫米波技术在无线通信和雷达系统中应用的不断增多，一种十分重要的传输媒介——微带线在现有毫米波集成电路中得到了广泛的应用[1-3]。现在，各种毫米波集成系统之间的连接以及毫米波测试系统和器件大多仍采用金属波导结构。因此，波导到微带过渡结构性能的优劣便成为影响系统特性的关键因素之一。本文主要对V频段下波导-对脊鳍线-微带过渡结构进行了仿真设计。

1 波导-微带的对脊鳍线过渡的基本原理

目前，所有毫米波检测设备大多以标准矩形波导作为其输入的RF接口，因而平面集成电路性能检测都必须通过具有带宽特性的过渡装置来完成。对这些过渡装置的基本要求是[4]：

(1)能够完成需要过渡转换的两种微波传输线之间的模式转换；

(2)在所需频率的带宽范围内，阻抗匹配要好；

(3)电路结构便于加工制作，尺寸小；

(4)装卸容易，具有良好的重复性和一致性。

波导到微带的过渡要求传输损耗低，驻波小，回波损耗小，应有足够的频带宽度，并且结构简单，加工和安装容易。MEIER P J提出了便于制作新型毫米波混合集成电路的准平面结构——鳍线[5]。把鳍线看成一种准平面结构，是由于它的整个电路图形包括有源器件在内都并入在一块介质平板上，而其电路设计又要考虑到金属波导盒的影响。对脊鳍线模型具有结构简单、插损小、安装方便等特点,过渡方向与电路一致,在宽频带内可以实现较好的过渡性能，而且可以通过调节中间谐振块的大小使谐振频率远离输出频率，是目前普遍采用的波导-微带过渡结构。通过适当的设计，就可保证鳍线中传播的主模为准TE10模。

图1所示为经典的波导-对脊鳍线-微带过渡。在整个过渡段长度l内，两个金属鳍放置在基片两面以组成一个圆弧型渐变段。圆弧之外，一个鳍用作微带接地面，并与波导下部相连，而且其短接点与过渡相隔一微小距离。过渡特性取决于圆弧半径R。电路中所附加的金属面S起抑制谐振的作用，因为在工作频段内渐变下面的无金属区可能出现谐振现象。

在波导-对脊鳍线-微带过渡电路的实现中，对脊鳍线过渡的渐变形式有许多种，例如指数线过渡、抛物线过渡、余弦平方线过渡等，这几种渐变线的长度与反射系数的模的关系如图2所示。其中，在工程上采用余弦平方渐变方式较为普遍。

2 V频段波导-微带线对脊鳍线过渡的仿真

2.1 过渡设计

在矩形波导-鳍线过渡器中，即使鳍线渐变线已实现最佳设计，渐变段本身也不能提供对矩形空波导的理想匹配，这是因为在渐变段末端的基片与空波导接口处的不连续所致。接口处阻抗不连续性的数值取决于基片厚度d和它的相对介电常数εr。对于毫米波频段通常使用的RT/Duroid5880介质基片，因基片的介电常数和厚度都较小，不连续性的影响不大，在过渡电路的工程设计中，可以忽略它的影响。对脊鳍线过渡段通常采用余弦平方的过渡形式，其设计公式[4]为：

式(1)中，w为50 Ω微带线的宽度，z为鳍线传输线的纵向坐标；b为波导高度；l为过渡段长度。

在设计中,尺寸较大的过渡结构可以保证过渡性能,过渡的长度越长，反射系数越小。但设计人员都希望过渡段越短越好,但尺寸过短又会因端口的反射系数较大而导致回波损耗显著增加。所以这里选择一个合理的过渡长度，在允许的反射系数下获得最短的过渡长度，对过渡特性有很重要的影响，这里采取折衷的办法，一般l取1.5 λ0左右。而金属块与鳍间的距离大小对传输性能影响不大，但对回波损耗有明显的影响。

对于V频段6 mm波导-微带的过渡结构设计，采用WR-19（a=4.77 mm,b=2.38 mm）矩形波导，取50 Ω带线，介质基片采用RT-duroid 5880材料（相对介电常数εr=2.22）,基片厚度为 h=0.254 mm,金属条带厚度 t=0.017 mm，用软件算出微带线宽度w=0.79 mm。

2.2 仿真结果

为了对所构建的模型较快应用于工程实践，利用三维仿真软件CST Microwave studio对所设计的过渡进行了计算机仿真，设置中心频率为60 GHz。仿真模型及结果如图3所示。

模型中重要几何参数如表1所示。其中，a为波导宽边，b为波导窄边，w为50 Ω微带线宽，l为过渡段长度，r为金属面的半径大小，u为金属面的位置。

表1 矩形波导-对脊鳍线过渡参数表(单位:mm)

在此基础上，利用已经仿真好的结构参数对单个波导-对脊鳍线-微带过渡构建背靠背结构电路模型，如图4所示。

从仿真结果看出，单个过渡通带平坦，插入损耗小，在58 GHz～61 GHz频带范围内，单个过渡插入损耗小于0.3 dB，回波损耗大于15 dB；背靠背过渡插入损耗小于0.3 dB，回波损耗大于10 dB。对比两个仿真结果，单个过渡的S参数曲线比较平滑，而背靠背的S参数S11及S21都出现了波动变化，在仿真结果中出现多个谐振点。这是因为两个端口反射波的相位不同相互叠加产生的。另外，在仿真结果不好时，可以优化半圆弧的位置或半径。在优化网格时，首先可不加密，开始仿真时如图5所示，产生一个粗糙的初始网格结果，然后再加密，选上Adaptive mesh refinement，在属性中一般选择最小2个passes，最多选4个 passes，如图6所示。结果不是很理想时，还可以对每一个参数进行扫描，即选定一个参数作为扫描对象，将该参数设定一个范围，在该范围内进行扫描，从扫描结果中选出所能达到的最优的仿真结果，这个结果所对应的就是该参数的最好的值。

随着微波毫米波器件的出现和系统越来越小型化和集成化的要求,尺寸精简、性能优越的过渡结构越来越重要。本文利用CST仿真分析了V频段对脊鳍线微带波导过渡结构和性能,并对该电路结构在V频段进行三维电磁场仿真优化，能得到理想的尺寸。仿真结果证明，该结构能在宽频带达到良好的过渡效果，V频段内单个过渡插入损耗和背靠背过渡插入损耗均小于0.3 dB，具有结构简单紧凑、尺寸小、易于工程上的装配和批量生产等优点。

[1]LOU Y,CHAN C H,XUE Q.An in-line waveguide-tomicrostrip transition using radial-shaped probe[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,2008,18(5):311-315.

[2]Wang Kanghan,Chen Zhihong,Zhou Yumei.A novel coaxial probe waveguide to microstrip transition[J].IEEE Microwave Conference Proceedings,2005,1(1):3-7.

[3]Zhang Yunchi,RUIZ-CRUZ J A,ZAKI K A,A waveguide to microstrip inline transition with very simple modular assembly[J].IEEE Microwave and Wireless Components Letters,20(9):480-482.

[4]李翔，徐军.Ka波段波导到微带的对脊鳍线过渡[C].全国微波毫米波会议论文集,2009,2(1):480-484.

[5]薛良金.毫米波工程基础[M].哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社，2004.