Ka波段波导-微带转换电路

Ka 波段波导-微带转换电路
摘 要:本文在了解矩形波导、微带线的传输理论及分析了Ka 波段波导-微带转换电路的特性后，利用HFSS 仿真软件对它进行仿真并优化，设计出了Ka 波段波导-微带转换电路。

满足实验要求：在Ka 频段26.5GHz~40GHz 内的输入/输出驻波比≤1.2，插入损耗≤1.0dB 。

关键词：Ka 波段，微带线，矩形波导，HFSS ，转换电路
Abstract ：After the understanding about the transmission theory of rectangular waveguide and micro-strip line and the analysis of the speciality of Ka-band waveguide micro-strip transform circuit, this paper will design the Ka-band waveguide micro-strip transform circuit by the simulation and optimization of HFSS. It meets the requirements: the input/output standing wave ratio is 1.2 within the Ka frequency range 26.5GHz~40GHz and the insertion loss is 1.0dB.
Key word ：Ka-band ，Micro-strip, Waveguide, HFSS , Transform circuit
1. 引言
波导-微带转换电路是各种雷达、通讯、电子对抗等系统中最重要的一种无源转接过渡，又是各系统的重要组成部分，它性能的好坏直接影响系统的性能。

随着微波集成电路的发展，微带线又是微波、低频段毫米波电路的主要传输线，而实现波导-微带的过渡就成了人们日益关注的问题。

本文分析了Ka 波段波导-微带探针转换的微波特性，设计了宽频带Ka 波段波导—微带转换器，并用HFSS 软件对它进行仿真分析和验证，其仿真结果达到理想中的预期值。

2. 特性分析及设计思路
2.1 矩形波导的传输理论
在矩形波导中最低次模是10TE 模，它的各场表达式为：
()y 10=sin j t z a E j H x e a ωβωμππ-⎛⎫- ⎪⎝⎭ ()y 10=s i n j t z a H j H x e a ωββππ-⎛⎫ ⎪⎝⎭
(
)z 10=cos j t z H H x e a
ωβπ-⎛⎫ ⎪⎝⎭ 0x y y E E H === （1） 由22c k ωμε=决定的频率称为截止频率，用c f 表示；相应的波长称为截至波长，用c λ表示。

对于矩形波导中的10TE 模，求得其截至波长为：
c λ= （2）
波导中某传输模相邻两同位面之间的轴向距离称为该模的波导波长，用
g λ表示为：
g λ= （3）
波导中的波型阻抗简称为波阻抗，定义为该波型的横向电场与横向磁场之
比，即：
10y TE x E Z H =- （4）
2.2 微带线的传输理论
微带线是一种双导体传输系统，它可以看成是由双导线演变而成的。

假如微
带线的中心导体带与接地板之间没有介质，或者整个微带线由一种均匀介质包
围，则可以传输TEM 模。

但是，微带线中有两种介质，导体带上面我空气，导
体带下面为介质基片，存在着空气-介质分界面，这种混合介质系统给微带的分
析和设计带来了一定的复杂性。

微带线中空气-介质分界面的存在，也使微带结
构中不可能存在纯TEM 模。

经分析我们可以知道，微带线结构中模式的非TEM
性质，是由于空气-介质界面处的边缘场分量x E 和x H 引起的，而与导体带下面基
片中的场量相比，这些边缘场分量很小，所以微带中模的特性与TEM 模相差很
小，称之为准TEM 模
2.3 设计思路
波导与微带的过渡，类似于波导到同轴的转接，也就是微带插入波导形成探
针。

由电磁理论知：任意一个沿探针方向的具有非零电场的波导模在探针的表面
激励起电流，根据互易定理，当微带线上准TEM 模向波导入射时产生的电流也同
样激励起波导模。

为了与矩形波导的主模TE10 耦合最紧，根据波导与微带模式
电场场分布的特点，微带线作为探针从波导的宽边中心插入，置入TE10 模电场
强度的最大处。

由于探针的末端电流为零，故对于细的微带探针来说，假设其 电流是均匀按正弦驻波分布，探针电流是无限细的线电流形式：
()00sin I I k d y =⨯-⎡⎤⎣⎦
（5） 其中d 为探针插入深度()0y d ≤≤，可以由此求出微带底部的输入电阻：
()220021sin 2
s m e in in in P j w w Z R jX I k d ω+-=+= （6）
式中s P 为辐射到波导的功率，m e w w -为高次模激励的存在于探针周围所储的无
功能量的净时间平均值。

用已求得的s P ，可得探针的辐射电阻： 220100102sin tan 2
in Z d R l k ab ββ= （7） 同理，可得TE10模对总的输入电抗： 220
100100sin tan 2
in Z d X l k ab k ββ= （8） 从式（3），（4）可看出：in R 、in X 随参数L （短路活塞的位置）、d （探针
插入的深度）的变化而变化，通过调整in R 使其等于微带的特性阻抗，并调整in X 以抵消激励高次模的电抗，这样使探针在波导内处于最大电压，即电场最强的波腹位置，同时波导终端短路长度取λ / 4，因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为λ / 2，取λ / 4的短路长度，以达到尽量高的耦合效率, 使其传输的功率达到最大值。

在探针耦合设计中，探针的输入阻抗是探针宽度、长度、波导终端短路距离以及频率的函数，由于探针过渡具有容性电抗，用一段高感抗线抵消其电容效应，这样可以减小插损，但频带的宽度相应地减小了，然后可以利用四分之一阻抗变换器实现与50Ω 标准微带线的阻抗匹配。

3 仿真分析和实验研究
3.1仿真分析
根据以上特性分析，对探针方向与波传播方向垂直的转换结构进行电磁仿真，采用HFSS 仿真软件建立仿真模型。

其整体结构见图1 所示。

图 1
设计中所采用的波导为BJ320型号标准矩形波导，其尺寸为7.112a mm =，3.556b mm =。

对Ka 波段(26.540)GHz GHz -，中心频率032.56f GHz =，其波长为0/9.21c f mm λ==，故四分之一波长为2.3mm 。

将波导一端短路，设置探针距离波导短路面的初值为 2.3L mm =。

微带线介质基片采用Duroid 5880，厚度为0.254mm h =，介电常数 2.2r ε=，微带线导体带设置为厚度为00.017h mm =的理想导体（PEC ）边界。

微带线上的空气腔体的高度大于5倍介质基片厚度，宽度大于5倍微带线导体带的宽度。

为了方便测试，这里采用阻抗为50欧姆的微带线，经过AWR 的计算，50欧姆的微带线导体带的宽度为20.785mm ω=。

3.2实验结果
设计模型如图2:
图2
参数扫描结果如下:
图3 插入损耗
图4 驻波比优化设计:
优化结果如下:
图5 插入损耗
图6 驻波比
HFSS仿真后插损和VSWR均达到了设计要求.但波导的短路端拐角处还可以进行圆角处理.。