1  引言

在使用波導接口的毫米波系統中，同時利用微帶電路集成度高的特點時波導微帶過渡結構是必不可少的。電路中波導微帶過渡要求低損耗、寬頻段、易于加工等特點，目前過渡形式主要存在以下方式：鰭線過渡、小孔耦合、脊波導過渡以及E-面探針方式，這些形式各有長短，適合不同場合。本文采用高頻電磁場仿真軟件HFSS快速設計出E-面探針方式的波導--微帶過渡結構，采用全波分析法相較于譜域分析會更精確、快速，通過仿真設計以及實物測試達到較好的結果，在30GHz～40GHz的頻段內駐波<1.5,插損<1dB的良好指標。

2  快速設計原理

E-面探針方式的波導--微帶過渡結構如圖1所示，探針通過在波導面的開窗深入波導內，開窗尺寸既要利于裝配同時要盡量小以減少對波導傳輸性能的影響，同時形成的波導截止頻率應在工作頻率之外。探針長度D、寬度WP以及離波導短路面的距離L均能影響探針從波導寬邊看過去的隨頻率變化的阻抗。變換設計的一個最重要工作就是首先綜合計算出上述三個參數使得探針阻抗隨頻率變化而變化的范圍盡量小。阻抗此時顯示為實部和容性虛部，所以為了將阻抗匹配至50歐姆，須和探針傳接一個高阻抗感性微帶線其寬度為WI、長度為LI,然后通過1/4波長微帶線最終將阻抗變換匹配至50歐姆。

圖1  E面探針過渡結構

3  仿真及測試結果

波導微帶變換可以方便的在HFSS中進行建模，模型如圖2（a）所示，其中微帶線采用氧化鋁陶瓷基板，因為采用薄膜工藝生成的微帶線能夠滿足在毫米波頻段對高精度的要求。

采用HFSS建模仿真得到仿真流程如下：首先綜合優化探針長度D、寬度WP以及離波導短路面的距離L，使得從波導壁為端面的探針阻抗在寬帶范圍內對頻率不敏感，仿真結果如圖2（b）。由圖2（b）可知此時探針阻抗為一容性阻抗，為了匹配至50歐姆，需要探針端接高阻抗線，優化高阻抗線寬度WI、長度LI，匹配探針阻抗至虛部消失，匹配結果如圖2（c）所示，此時端口阻抗約為37.5歐姆。最后通過1/4波長微帶線最終將阻抗匹配至50歐姆，匹配結果如圖2（d）所示，此時在30GHz～40GHz的頻段內阻抗基本匹配至50歐姆。

同時仿真計算應考慮實際加工以及裝配誤差，仿真應進行相應的容差分析，在此分析基礎上對結構參數作相應調整以降低裝配及加工因素對性能的影響。

（a）

（b）

(c)

(d)

圖2  HFSS建模及仿真結果

為了便于測試，一對波導微帶變換采用背對背方式連接，微帶采用介電常數9.8的氧化鋁陶瓷基板加工，基板厚度0.25mm;陶瓷板長度為10mm; 波導采用BJ-320標準波導，測試結果如圖3所示（dB(3,4)、VSWR3為仿真結果，dB(2,1)、VSWR1為測試結果）。由測試結果可知在30GHz～40GHz頻段內兩個波導微帶變換以及微帶線損耗<1dB,VSWR<1.5，扣除微帶線損耗以及波導損耗0.4～0.6 dB,可估算出波導微帶變換差損<0.3dB。同時由圖3可以看到駐波的仿真結果與測試結果相差不大，測試的插損較仿真值大0.6dB,原因是因為仿真時對波導以及微帶線設置均為理想狀態所致。

圖3  仿真及測試結果

4  結論

本文介紹了一種采用HFSS快速設計微帶波導變換的方法，通過仿真以及試驗驗證均能取得良好的性能，試制的Ka波導微帶變換能夠用于各種波導接口毫米波系統中，同時該設計方法同樣適用于更高頻段的波導微帶變換。