Ka波段脊波导到微带过渡器的设计

到实际尺寸和加工精度的情况，本文选择 了波导－阶梯脊波导－微带过渡结构。
2 理论பைடு நூலகம்析
2.1 单脊波导的参数计算 脊波导的主要电参数包括截止波长、 波导波长和特性阻抗，在习惯上是采用横 向谐振法解超越方程[6]或采用有限元法解矩 阵方程而求得的。 对于如图 1 所示的单脊波导根据微波 传输线理论可得到截止波长的超越方程：
图 2 微带线中的场分布 对于波导到微带过渡可看成非50Ω传 输系统过渡到 50 Ω传输系统的问题，也就 是阻抗变换问题。而阻抗变换的理论已经 比较成熟，根据实际结构，这里采用四分 之一波长多节变换器（图 5 ）。在综合设 计时，切比雪夫多项式在给定驻波比时其
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制造
中国科技信息 2009 年第 20 期 CHINA SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION Oct.2009
其仿真结果如图７所示，在 28GHz～ 32GHz 频带内插损小于 0.1dB。仿真结果加 工的阶梯脊波导结构实物照片如图８所 示。
图７ Ｓ参数仿真结果
图８ 脊波导实物照片
４ 结束语
本文采用“以场为路，由繁化简” 的观点，使用阻抗变换的方法设计了波导 －阶梯脊波导－微带转化器，并用 CST 微波工作室进行仿真优化，最终得到良好 性能指标的脊波导实物。
长度最小，其元件值可查[7]，现已被广泛 使用。
图 3 脊波导中的场分布
图 4 脊波导到微带过渡结构示意图
图 5 四分之一波长多节变换器原理 示意图
3 CST 仿真及结果
CST 微波工作室基于一种通用的三维 算法,即有限积分法，它能够处理几乎所有 电磁场仿真问题。合理应用该软件可以缩 短产品生产时间，降低成本。在本次仿真转 接头过程中，先根据预先设计，建立好物理 模型如图 6 所示。左边端口为标准 BJ320 波 导口。右边为微带端口，基片为 Rogers RT5880，介电常数为 2.2，厚度为 0.8mm， Z0=50 Ω。中间切比雪夫型阶梯阻抗变换， 其阻值通过计算查表得出[7]，并换算成脊 波导尺寸，在ＣＳＴ中应将此尺寸设计为 变量，以便优化计算。图６中的斜劈部分为 脊波导与微带线过渡部分，是按照实际机 械结构的考虑。通过优化调节各节阶梯的 高度已达到最佳的效果。经多次优化计算 最终得到。
Ka 波段脊波导到微带过渡器的设计
张洪林１ 袁景中２ １，河北大学电子信息工程学院 ０７１００２；２，中国电子科技集团公司第十三研究所 ０５００５１
摘要 介绍了波导微带转换在微波应用中的重要意 义，理论分析了波导到微带过渡的基础上，提 出多节阶梯阻抗变换形式的过渡结构，并选 用四分之一波长切比雪夫阻抗匹配的方法设 计了波导－阶梯脊波导－微带过渡结构，并 用高频仿真软件ＣＳＴ进行了仿真分析，经 多次优化计算及多次调试，最终结果在 ２８ＧＨｚ～３２ＧＨｚ 范围内插损小于 ０．４ｄＢ。其结构 简单，易于加工，有一定的实用价值。 关键词 脊波导；转换器；阻抗匹配；ＣＳＴ 仿真
而 Ze,∞为频率 f= ∞时的特性阻抗；λ 为工作波长；λ 为截止波长；
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1 引言
随着微波毫米波技术的飞速发展，微 波集成电路在各个方面得到了广泛应用。 在毫米波频段，主要的传输线有波导和平 面传输线两种。随着平面传输媒介的研究 发展，混合集成电路、单片集成电路应用 的日趋广泛，微带电路已在越来越多的场 合取代金属空波导，成为微波、毫米波电 路的重要传输线。然而，目前许多毫米波 测试系统和器件仍采用金属空波导。因此， 如何实现低损耗的波导与微带线的转换就 成了微波毫米波技术研究的重要内容。
2.2 波导－阶梯脊波导－微带过渡设计 微带线中为准 TEM 模，其场分布如 图2所示，其电场主要集中在金属导带与接 地板之间，垂直于传输方向。脊波导场分布 如图3所示，其中传输主模的电场主要垂直 分布于上下两脊之间。可以看出这两种不 同的传输结构其电场分布有相似之处，为 了达到反射较小的平稳过渡，采用如图4所 示结构。
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目前，常用的过渡结构有波导－阶梯 脊波导－微带过渡[1]，波导－对极鳍线— 微带过渡[2]，波导－探针—微带过渡[3～5] 等。在综合比较以上各个过渡结构后，考虑
图 1 单脊波导的几何参数 其中，x=d /b，Cd 为脊波导中的 不均匀电容。而 a、b、s、d 为脊波导的几 何参数，参见图 1。ε为波导中的介质的介 电常数。 当脊波导工作在单模 TE10 模时，可 按电压、电流定义特性阻抗，脊中心的电 压 U = E 0 d ，电流为波导底面的纵向电 流。忽略高次模影响，由金属波导的边界 条件。通过求解麦克斯韦方程，得到场分 布，从而得到特性阻抗，结果为：
图 6 CST 仿真模型
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