刘途远

（电子科技大学 物理电子学院 国家863计划强辐射实验室，四川 成都 610054）

微带线作为毫米波集成电路中一种十分重要的传输形式，随着目前毫米波集成电路的不断发展，微带电路正在越来越多的场合取代金属波导，成为制作微波毫米波元器件的重要传输线。虽然如此，目前大多数实验设备都还是以标准矩形波导作为其输入接口的。因此，集成微带电路的性能检测就必须通过具有宽带特性的波导—微带过渡装置来实现。并且，很多时候为了便于建立独立微带电路之间的连接，常常还需要电路从微带电路输入输出端口通过转换结构过渡到矩形波导。此外，在需要将信号传输一段距离时，也必须将电路从微带转换至矩形波导，以降低传输的损耗。因此，如何实现波导与微带线的转换就成了人们日益关注的课题[1]。

通常，对波导—微带过渡结构有以下几个基本的要求[2]：

1）传输损耗要低，回波损耗要高，而且应具有足够的频带宽度。

2）装卸容易，并且有良好的重复性和一致性。

3）转换结构要与电路协调设计，并且要便于加工制作。

目前最常见的波导-微带过渡结构主要有波导-脊波导-微带过渡、波导-探针-微带过渡、波导-对极鳍线-微带过渡等。

其中，波导-探针-微带过渡是目前应用得最为广泛的波导-微带过渡形式，这种结构的优点有：插入损耗低、回波损耗小、频带宽，而且结构紧凑、体积小，加工方便、装卸容易，因而特别适合在毫米波领域里应用。

文中接下来便是研究一种横向的波导-探针-微带过渡结构。

1 波导-探针-微带过渡理论分析

微带探针实质上是从同轴探针发展而来的。最根本的原理即是在波导宽边开条缝，通过一段起耦合作用的微带线把波导中的电场耦合到微带线上。当从波导转换至微带时，探针即是相当于一个接收小天线，将波导中的能量接收至微带线上；而当从微带转换至波导时，探针即是相当于一个发射小天线，将微带中的能量发射至波导中。

具体一点来讲，就是当从波导转换至微带时，沿探针方向具有非零电场的波导模式比如TE模式会在探针上激励出电流，从而激励起电磁场，将波导内的电磁场传输出去，同理，当从微带转换至波导时，微带线上TEM模向波导入射产生的电流也会激励起相应的波导模式。

目前用得最多的波导-探针-微带过渡结构主要有两种，一种是微带平面的法向与波导内电磁波的传播方向垂直，另一种是微带平面的法向与波导内电磁波的传播方向平行，结构分别如图1和图2所示。

图1 微带平面与波传播方向垂直Fig.1 Microstrip plane and wave propagation direction are perpendicular

图2 微带平面与波传播方向平行Fig.2 Microstrip plane and wave propagation direction are parallel

矩形波导中的波导短路面离微带探针大约为四分之一波长，因为这样电磁波一个来回的传输距离就是二分之一波长，便可使波导内形成驻波，用来保证探针在波导中处于电压最大值处，也即电场最强处，以实现最大的耦合。由于探针过渡结构不可避免的会具有容性电抗，所以探针后面还需串联一段高感抗线抵消其容抗。而在某些应用场合，为了得到更好地阻抗匹配效果，还会在高感抗线的后面接一根四分之一波长阻抗变换器将阻抗匹配到50 Ω的标准微带线。转换部分的腔体通过一个窗口与后面的电路腔体相连，该窗口的尺寸需要合理选择，既要将能量约束在微带线上，抑制高次模的传输，同时又要有足够的高度，以免影响微带线的场结构。

由以上的的分析可见，不管是微带平面与波传播方向平行还是微带平面与波传播方向垂直，都有一个共同的特点，那就是波导的能量传输方向与微带线的能量传输方向是垂直的。也就是说这两种过渡结构只适用装配在波导与微带能量传播方向相互垂直的场合。若是在波导与微带能量传播方向必须在同一方向时，则不能采用探针过渡了，而必须转而采用波导-脊波导-微带过渡，或者波导-对极鳍线-微带过渡等结构了。

文中即是为了解决这一问题而设计了一种横向的波导-探针-微带过渡结构，使得在波导与微带能量传播方向在同一方向的场合依然可以采用探针过渡的方式，发挥波导-探针-微带过渡的优越性。

设计的结构如图3所示。

图3 横向波导-探针-微带转换结构Fig.3 Transverse waveguide-to-microstrip probe transition structure

这种结构实际是由微带平面与波传播方向垂直的结构变换而来。关键的改进在于图3所示的匹配阶梯。通过这个匹配阶梯实现波导的90度转角，减小转角发射和损耗，从而最终实现将探针和微带的传输方向转换至与波导同一方向上。只要匹配阶梯设计恰当，便可以将转角的反射和损耗降至非常低，从而实现波导至微带的低损耗转换。

2 结构仿真设计与优化

2.1 微带线与介质基片以及波导各参数选择

介质基片既是微波电磁场的传输媒介，同时也是电路的支撑体，选择合适的基片对整个结构的性能有很大帮助。

通常对基片的要求是微波损耗小、表面光滑度高、硬度强、韧性好等。

文中采用介电常数为2.2的Duroid5880作为电路的介质基片。基片厚度为0.254 mm。

微带线采用标准的50 Ω标准微带，金属层厚度为0.035 mm，取中心频率，则在中心频率34 GHz处微带线宽为0.77 mm。

由于是本论文是设计Ka波段的波导—微带转换结构，所以采用宽边为7.112 mm，窄边为3.556 mm的标准矩形波导。

可得 λc=14.224 mm。

可得，Ka波段的波导波长为最短为8.83 mm最长为18.7 mm，其中，中心频率34 GHz处的波导波长为11.2 mm，对应的四分之一波长就是2.8 mm。也就是波导短路面距离探针中心距离的理论值。

2.2 仿真与优化

本论文需要仿真设计的结构尺寸有：

1）波导开口缝隙高度gap_h和宽度gap_w；

2）插入波导内的探针宽度lip_w，长度lip_l；

3） 高感抗线的宽度：z_w，长度 z_l；

4）短路面距探针中心长度distance；5）转换阶梯高度tran_h，宽度tran_w.

对以上尺寸的设计仿真采用的是基于有限元方法的著名电磁场仿真软件平台Ansoft HFSS。

仿真模型如图4所示。

图4 HFSS中的模型Fig.4 Module in HFSS

经过多次仿真与优化，最终得到各最优化参量如表1所示。

表1 模型最优化参量（单位：mm）Tab.1 Optimal model parameters（unit:mm）

根据以上数据得到的仿真结果如图5和图6所示。

由图5可见，在ka全频段内，插入损耗小于0.15 dB，由图6可见反射系数大于21 dB，达到很理想的结果。

图5 插入损耗Fig.5 Insertion loss

图6 反射损耗Fig.6 Return loss

3 结 论

文中设计了一种中心频率为34 GHz的Ka波段的横向波导—探针—微带转换结构，经过理论分析以及仿真优化设计，在26.5～40 GHz的全频段内得到了理想的结果。这种结构具有宽频带，低插损的优良特性，使得波导—探针—微带转换结构在波导与微带能量传输方向在同一条直线上的场合依然可以适应，具有重要的工程应用价值和广阔的应用前景。

[1]薛金良.毫米波工程基础[M].国防工业出版社，1998.

[2]甘仲明，张更新.毫米波通信技术与系统[M].北京：电子工业出版社，2003.

[3]YAO Hui-wen，Abdelmonem A，Jifuh L，et al.A full wave analysis of micro-strip to waveguide transitions[J].IEEE Microwave Symp，Dig，1994，4（3）:213－216.

[4]张荣辉，唐小宏，何宗锐.Ka波段宽带波导－微带探针过渡设计[C]//2003年全国微波毫米波会议论文集，2003：461－464.

[5]WU Qiu-sheng，XUE Liang-jin，YAN Bo.Simulation and project application of Ka-band bridge waveguide transitions[C]//Jinfrared Millim Waves，2002，21（2）:142－144.

[6]Yi-chi shih，Thuy-Nhung Ton，Long Q.Bui，wave guide-to-Microstrip Transitions For Millimeter-wave Applications[J].in 1988 IEEE MTT-S Int.Microwave Symp.Dig，pp473－475.