波导到微带转换电路设计报告

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V波段波导-微带探针转换器设计

本文设计了一种波导一微带探针转换器结构，在
好使探针处于波导内电场最强位置，微带探针经一段高阻抗线变换到５０Ｑ微带线上，实现了波导到微带的转换。波导一微带探针过渡又可分为两种形式，一种为基片表面与波导中波传播方向垂直，另一种为基片表面与波导中波传播方向平行，如图１和图２所示。
（ＳｅｖｅｎｔｈＰｒｏｆｅｓｓｉｏｎａｌＤｉｖｉｓｉｏｎ，Ｘｉ ’ ａｎＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃＥｎｇｉｎｅｅｉｒｎｇＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｘｉ ’ ａｎ７１０１００，Ｃｈｉｎａ）
随着毫米波技术的发展，微波毫米波混合集成电路与单片集成电路在通信、雷达、制导以及其他一些系统中得到了广泛应用，微带传输线正在越来越多的场合取代金属波导，成为制作毫米波集成电路的重要传输线。而矩形波导具有功率容量大、损耗小、无辐射损耗、结构简单、Ｑ值高的特点¨ Ｊ，因此在微波毫米波电路和系统中被广泛应用，现在大多毫米波实验设备的输入输出端口均为波导形式。在毫米波电路和系统中经常需要进行这两种传输线形式的转换，因此，波导到微带过渡结构性能的优劣成为影响系统性能的关键。

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 circuit1. 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。

微带-波导转换教材

波导-微带转换电路刘云生201222040512设计目的：设计一只Ka波段波导到微带转换电路。

其技术指标要求如下：工作频率：26.5~40GHz输入/输出驻波比：<1.2插入损耗：<1.0dB一、设计思路微带探针转换是目前应用最为广泛的波导-微带过渡形式并且它有明显的优点。

它的插人损耗低,回波损耗小,具有较大频宽,且其结构紧凑,加工方便,装卸容易。

图1和图2中所示为常用微带探针转换结构图，我们采用H面微带探针转换的结构。

探针从波导宽面插入，并且探针平面与波导窄面垂直。

微带过渡段我们采用渐变结构。

通过优化探针插入深度d，微带变换器的长度1L，探针和微带变换器各自宽度,1s s，波导的微带插入处到波导短路处的距离L，得到满足指标的结果。

图1 H面微带探针转换结构图图2 E面微带探针转换结构图二、设计过程：（1）利用ADS软件里的微带计算工具得出中心频率为33.5GHz处的微带的宽度0.77，如图3所示。

Sx mm图3 50欧姆微带线宽（2）在HFSS中建立仿真模型如图4所示，包括微带金属条，微带基板，以及包围空气腔三部分。

利用对称性以YZ面为对称面切掉一半可以减少计算时间。

图4 仿真模型（3）设置三部分的材料属性，其中微带金属条为PEC，微带基板为Duriod5880（厚度0.254mm=）。

包围空气=，相对介电常数 2.2腔设为真空（默认）。

（4）设置波端口1,2。

都为1个模式，如图5。

图5 波端口1 波端口2（5）设置边界条件如图6。

其中微带被包围空气腔的上面设置辐射边界，对称YZ面设置为Prefect H面。

图6 边界条件（6）设置求解，扫频。

然后设置5个优化变量（优化探针插入深度以及微带变换器的长度,1s s，波导的微带插入处到波d L，宽度,1导短路处的距离L），优化目标即为设计指标。

三、设计结果及存在问题分析：通过优化得到最佳优化值如下图7中所示：图7 优化变量优化结果为：图8 优化结果图驻波比在整个频段内均小于1.2，插入损耗在整个频段内均小于0.3dB，故在全频段内满足设计要求。

一种Ku波段波导-微带转换器的研制

一种Ku波段波导-微带转换器的研制宋志东;康颖【摘要】本文利用三维高频仿真软件HFSS设计并分析了中心频率为15GHz的波导一微带过渡结构。

这种结构的输入输出是直通方向的，与以往的波导-微带过渡结构相比，这种结构体积小、气密性好、更利于小型化。

根据测试结果，设计的过渡结构在13GHz-17GHz频率范围内有良好的性能，插入损耗小于0．5dB，端口驻波系数小于1．35。

%A ku-band waveguide to microstrip transition structure with 15GHz of central frequency is designed and analyzed by using 3-dimensional high frequency simulation software （HFSS）. In this transition structure, the waveguide and microstrip line are connected in a straight line. Comparing with the former waveguide to microstrip transit structure, this structure is featured with small size and good airtightness, and is benefit to miniaturization. On basis of tested results, the designed transit structure has perfect performance within 13GHz-17GHz of frequency range, its insertion loss is less than 0. 5dB, and the port standing wave ratio is less than 1.35.【期刊名称】《火控雷达技术》【年(卷),期】2011(000)004【总页数】4页(P78-80,86)【关键词】脊波导;波导-微带过渡;气密性【作者】宋志东;康颖【作者单位】西安电子工程研究所,西安710100;西安电子工程研究所,西安710100【正文语种】中文【中图分类】TN8141 引言采用微带的毫米波集成电路往往都必须包含波导——微带过渡接口。

基片集成波导与微带线的转换设计

基片集成波导与微带线的转换设计随着通信技术的发展，无线通信系统越来越广泛地应用于日常生活和工业生产中。

在无线通信系统中，波导和微带线是常见的传输介质。

波导是一种用于传输电磁波的管道，其优点是低损耗、高传输效率和较大的带宽，但是波导的制作成本较高，体积较大，无法直接集成于集成电路中。

而微带线是一种用于传输微波信号的导行线，在集成电路中易于制作和集成，但是其损耗较大，带宽较小，因此在实际应用中需要将波导与微带线进行转换。

波导与微带线的转换设计是无线通信系统中的重要环节，其设计需要考虑到传输效率、损耗、带宽和制作成本等多方面因素。

本文将重点介绍基片集成波导与微带线的转换设计。

基片集成波导与微带线的转换设计是指将波导和微带线集成在同一电路板上，并设计出高效的波导与微带线之间的转换结构。

基片集成波导与微带线的转换设计既可以利用波导的优点，又可以利用微带线的优点，从而在无线通信系统中取得更好的性能。

基片集成波导与微带线的转换设计主要包括以下几个方面：波导与微带线之间的传输结构设计、波导与微带线之间的阻抗匹配设计、波导与微带线之间的传输效率和损耗分析、基片集成工艺等。

首先，波导与微带线之间的传输结构设计是基片集成波导与微带线的转换设计的重要部分。

传输结构的设计需要考虑到波导与微带线的特性，并设计出合适的结构来实现波导与微带线之间的信号传输。

目前常用的波导与微带线之间的传输结构有耦合槽、耦合窗、天线和耦合结构等，这些结构的设计需要考虑到波导与微带线的工作频率、阻抗匹配和传输效率等因素。

其次，波导与微带线之间的阻抗匹配设计是基片集成波导与微带线的转换设计的关键环节。

阻抗匹配设计需要将波导与微带线的阻抗进行匹配，从而实现波导与微带线之间的高效能量传输。

阻抗匹配设计需要考虑到波导与微带线的特性、工作频率、波导结构和微带线结构等因素。

第三，波导与微带线之间的传输效率和损耗分析是基片集成波导与微带线的转换设计的重要内容。

H面波导到微带过渡结构设计

总第２３４期
舰船电子工程
ＳｈｉｐＥｌｅｃｇ
Ｖｏ１．３３Ｎｏ．１２
１５５
２０１３年第１２期
Ｈ面波导到微带过渡结构设计
兰云鹏吴景峰王抗旱
ＬＡＮＹｕｎｐｅｎｇＷＵＪｉｎｇｆｅｎｇＷＡＮＧＫａｎｇｈａｎ
（ＨｅｂｅｉＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｉｏｎ，Ｓｈｉｊｉａｚｈｕａｎｇ０５００５１）
插损过渡成为重点关注的问题。
波导一微带过渡结构多样，常见的过渡结构有：耦合探针过渡口］、脊波导过渡＿４］、对脊鳍线过渡［５］等。其中耦合探针过渡分为：电场耦合和磁场耦合。电场耦合采用的是在波导宽边插入Ｅ面探针的结构方式＿６］。磁场耦合过渡目前国内少见报道，电子科技大学徐军教授等人在２０１０年提出了一种磁耦合的波导一微带转换结构ｌ８］，该结构先利用偏心同轴线将微带中传播的准ＴＥＭ模转化为ＴＥＭ模，然后通过末端接地的半圆环金属条带在波导中激起ＴＥｏ模，完
ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｐａｐｅｒｄｉｓｃｕｓｓｅｄａｎＨ— ｐｌａｎｅｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ．ＴｈｅｐｒｏｂｅｗａｓｐａｒａｌｌｅｌｔｏＨ— ｐｌａｎｅａｎｄｉｎｓｅｒｔｅｄｔｏｔｈｅｗａｖｅｇｕｉｄｅｆｒｏｍｔｈｅｓｈｏｒｔｓｉｄｅｏｆｔｈｅｗａｖｅｇｕｉｄｅ．ＨＦＳＳｗａｓｕｓｅｄｔＯｓｉｍｕｌａｔｅａｎｄｏｐｔｉｍｉｚｅｔｈｅｌｏｃａｔｉｏｎａｎｄｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｐｒｏｂｅ．Ａｂａｃｋｔｏｂａｃｋｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｗａｓｆａｂｒｉｃａｔｅｄａｎｄｍｅａｓｕｒｅｄ．ｔｈｅｒｅｓｕｌｔｓｈｏｗｅｄＵＳｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｅｒｔｉｏｎ１ＯＳＳｂｅｔｗｅｅｎ３０ＧＨｚ～３６ＧＨｚｗａｓ１ｅｓｓｔｈａｎ０．８ｄＢ，ａｎｄｔｈｅｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓｗａｓｇｒｅａｔｅｒｔｈａｎ１６ｄＢＴｈｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅｈａｄｔｈｅａｄｖａｎｔａｇｅｓｏｆｓｉｍｐｌｅｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｌｏｗｉｎｓｅｒｔｉｏｎｌｏｓｓ，ｗｉｄｅｂａｎｄ，ｅａｓｙｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎｅｔｃ．ＫｅｙＷｏｒｄｓＨ— Ｐｌａｎｅ，ｍａｇｎｅｔｉｃｃｏｕｐｌｉｎｇ，Ｋａｂａｎｄ，ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ，ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎＣｌａｓｓＮｕｍｌ￣ｒＴＮ７１３

波导带通滤波器与微带转换装置的设计

模拟计算结果，图中工作带宽为17．5～20．5 GHz，带内损耗小于0．1 dB，端口反射小于-20 dB。优化后计算结果达到了技术要求。
3．2 波导-微带转换器的设计本文在仿真软件HFSS中对转换器建模，并对参数进行了优化分析。波导的尺寸同样采用WR42标准波导，介质基板选用介电常数为3．48的Rogers 4350B材料，其厚度为0．76 mm，微带线的厚度为0．035 mm。利用ADS2009软件中的LineCalc工具，可以计算出50 Ω微带线在中心频率为19 GHz的宽度约为1．79 mm。软件优化后的尺寸如表2所示，优化结果。从图5中可以看出在16～20．8 GHz的带宽内，端口反射参数小于-20 dB，带内损耗小于0．1 dB，完全符合技术要求。
2 系统技术参数2．1 波导滤波器中心频率：19 GHz；带宽：3 GHz；带内损耗：0．5 dB；带外抑制：30 dB；端口反射参数：小于-15 dB。2．2 波导-微带转换器工作带宽：要求大于波导滤波器的工作带宽；带内损耗：0．5 dB；端口反射参数：小于-20 dB。2．3 组合装置中心频率：19 GHz；带宽：2 GHz；带内损耗：0.5 dB；带外抑制：20 dB；端口反射参数：小于-15 dB。3 系统设计3．1 波导滤波器的设计根据带外抑制参数要求，本文将波导滤波器的阶数设计为7阶，其结构。根据要求的工作带宽，选取标准波导WR42(10．668 mm×4．318 mm)。利用网络匹配方法可以给出设计尺寸，然后利用HFSS仿真软件进行模拟优化，经过大量的计算得到最终优化尺寸，如表1所示。
波导带ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ滤波器与微带转换装置的设计
0 引言随着毫米波技术在现代无线通信系统中的广泛应用，对各种高性能毫米波集成电路的需求也日益增长。微带线是现有毫米波集成电路中十分重要的传输线形式，各个MMIC单片主要采用微带线相连接。而滤波器则是现代电子通信系统中的一个必不可少的环节——选频网络。其中，波导滤波器因具有损耗低、高Q值的优点而广泛用于微波中继通信、雷达、天馈系统等。在波导和微带中传输射频信号必须通过波导-微带的过渡装置来完成。因此，设计宽频带、低损耗的波导-微带的转换装置，是十分必要的，具体的转换方式主要为以下三种形式：脊鳍转换结构；波导-同轴-微带线转换结构；波导-微带探针转换结构。对于前两种转换方式，波导和微带处于同一方向，所占空间较大；而对于第三种转换方式，波导与微带相互正交，具有无需焊接，安装方便，而且所占空间较小的优点，从而成为MMIC电路设计中常用的一种方式。本文通过电感膜片耦合的方式构成宽带带通波导滤波器，然后设计了波导一微带转换装置，将两者组成一个整体，在HFSS仿真软件中得到了较理想的参数。1 理论分析1．1 电感膜片滤波器薄电感窗的示意图，两块金属膜片分别置于矩形波导(a×b)纵截面的两侧，其厚度为t，窗口面积为bxd。

一种220GHz波导-悬置微带线过渡电路设计

第 15 卷第 1 期
太赫兹科学与电子信息学报
2017 年 2 月
Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology
Vo1.15，No.1 Feb.，2017
文章编号： 2095-4980(2017)01-0011-04
一种 220 GHz 波导-悬置微带线过渡电路设计
刘高见，李军，徐辉，张晓阳
(中国空间技术研究院西安分院，陕西西安 710100)
摘要：波导-微带过渡电路是连接毫米波、太赫兹系统中平面电路与波导的重要结构，直接
影响系统性能。设计了一种中心频率220 GHz的矩形波导-悬置微带线过渡电路。过渡采用探针耦
Keywords：terahertz；suspended microstrip probe；broadband；low-loss
随着毫米波、太赫兹科学技术的飞速发展，各种毫米波、太赫兹集成电路的需波、太赫兹集成电路中一种重要的传输线，各个单片微波集成电路(Monolithic Microwave Integrated Circuit，MMIC) 单片主要采用微带线进行连接。随着平面电路工作频率的上升，悬置微带线因其 Q 值更高，损耗更小而得到了比标准微带线更多的关注和应用 [1 -2]。然而，目前毫米波、太赫兹测试系统和诸多仪器的接口，以及各个毫米波、太赫兹集成系统间的连接大多使用损耗更小的波导。为了使 2 种传输线很好地匹配，必须设计相应的过渡电路。因此，波导-悬置微带线过渡电路成为系统实现的一个关键所在。

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波导到微带转换电路
学生姓名：学号：
单位：时间:2010年5月6日
一、技术指标：
请设计一只Ka波段波导到微带转换电路。

其技术指标要求如下：
工作频率：26.5~40GHz
输入/输出驻波比：<1.2dB
插入损耗：<1.0dB
二、理论分析
目前常用的微带－波导探针过渡的方式有两种，都是将微带探针从波导宽边的中心插入，一种是介质面垂直与波导传输方向，称为H面探针，如图1所示，另一种介质面平行于波导传输方向，称为E面探针，如图2所示。

本课题采用的是E面探针过渡，下面详细介绍本课题中的微带－波导过渡设计方法。

图1 H面探针图2 E面探针
微带—波导过渡的构成形式如图3所示，探针从波导宽边的中心插入，任一个沿探针方向具有非零电场的波导模将在探针上激励起电流。

探针附近被激励起的高次模存储无功功率的局部场，使接头具有电抗性质。

由于探针过渡具有容性电抗，一段具有感性电抗的高阻线被串联在探针过渡器后面，以消除容性电抗，然后利用四分之一阻抗变换器实现与混频电路内微带传输线的阻抗匹配。

对微带－波导过渡性能有较大影响的电路参数共5个，由表1列出。

探针插入处波导开窗的大小对性能也有一定影响，在设计时可先将其确定。

一般的原则是开窗越小越小越好，以形成截止波导。

探针距波导终端短路面的长度D我们取四分之波导波长,因为终端短路后，波导内形成驻波，波节间距离为二分之波导波长，取四分之波导波长的短路长度，可以保证探针在波导内处于最大电压，即电场最强的波腹位置，以达到尽量高的耦
表1影响微带-波导过渡性能的参数
三、设计过程：
确定中心频率为大气窗口35GHz，频段为26.5GHz到40GHz。

确定矩形波导尺寸、基板的材料和尺寸以及微带金属条带的初始尺寸并建立模型。

此处采用WR-28标准矩形波导，尺寸为7.112mm*3.556mm，基板材料选用Rogers5880型基片，厚度为0.254mm，相对介电常数为2.2，微带金属条带厚度为0.035mm，由ADS中LineCalc 计算得中心频率35GHz处50欧姆微带线宽度为0.754mm。

通过设计矩形波导宽边开口的宽度和长度，使其达到将波导中的能量传播到微带线的要求，并抑制带内谐振，主要考虑到要对高次模进行抑制和衰减，开口不能过大，应该保证开口能够对高次模有20dB的衰减，通过仿真优化，观察gamma实部可确定其对高次模的衰减大小。

最后确定开口宽2.5mm，高1mm，可以满足衰减而且具有良好的输入输出驻波比。

由于参考论文得到相应的初始值,用HFSS建立如图5所示的探针过渡仿真模型,然后对重要参数进行扫参优化。

最终的参数结果:探针宽度w1为0.5 mm，探针长度L1为1.8 mm，高阻线宽度w2为0.3 mm，高阻线长度L2为0.1 mm，波导短路面至端口的距离D为8.6 mm。

图5探针过渡模型
四、设计结果及存在问题分析：
最终S21仿真结果如图6所示，可以看到，在整个Ka波段内，S21<0.08dB，信号能很好地传输，满足了指标的要求。

图6 S21仿真结果
最终S11仿真结果如图7所示，可以看到，在整个Ka波段内，S11<-22dB，信号反射很小，满足了指标的要求。

图7 S11仿真结果
经过初步设计及优化仿真，该过渡结构在Ka全频段达到了要求的指标，但是仍有一些不足。

这种结构只能用于仿真，实际加工中还有一些问题需要考虑，比如（1）在波导短路面及拐弯处设计倒角，便于加工；（2）为波导腔及约束腔内基板设计固定基板使其固定。