Ka波段波导-微带转换电路
一种Ka频段波导微带鳍线转换结构
空间电子技术98 S PAC E ELEC TRON IC TECHNOLO GY2009年第3期一种Ka频段波导微带鳍线转换结构王小伟李家胤周翼鸿(电子科技大学强辐射重点实验室,成都610054)摘要为使波导微带转换的尺寸和性能更优,采用HFSS高频仿真软件里的样条曲线做波导微带转换的鳍线渐变曲线,使波导微带转换的过渡长度与采用其他渐变曲线在相同指标情况下相比更短一些。
转换模型中的介质基片向标准矩形波导宽边两侧延伸四分之一波长并在其上各打一行孔径和间距合适的金属填充通孔,这样既便于固定基片,又能提高鳍线电路的隔离度。
使用HFSS软件对该模型进行仿真优化分析后的结果为:在28. 5～39GHz频带内得到大于25dB 的回波损耗和小于0. 1dB 的插入损耗,基本达到预期目的。
关键词波导微带转换样条曲线鳍线通孔0 引言随着毫米波技术的不断发展, 毫米波混合集成电路以及单片集成电路越来越多地在无线通信和雷达系统中得到广泛应用。
而现有的毫米波测试系统采用的大多是矩形波导接口,这就要求在使用毫米波单片集成电路的系统中寻找一种低成本、低损耗、易制造的宽带矩形波导到微带的过渡。
对于毫米波电路而言,鳍线就是这样一种能用于波导微带过渡的理想短距离传输线。
它具有色散小、单模带宽宽、插损低(高于波导,低于微带) ,准平面电路结构(可以采用与微波集成电路相类似的印刷技术,生产经济性好) ,与半导体和波导器件的兼容性好,对加工尺寸公差的要求不像波导那样严格等优点,现已在毫米波电路中获得了实际应用[ 1 ] 。
目前常用的过渡结构有: 阶梯脊波导过渡[ 2 ] 、对极鳍线过渡[ 3 ] 、耦合探针过渡[ 4, 5 ] 等。
这些过渡结构带宽较宽,插入损耗小。
其中阶梯脊波导过渡加工复杂;耦合探针过渡因波导出口方向与电路平行,使其不满足很多系统结构的要求;而对极鳍线过收稿日期: 2008 - 04 - 29; 修回日期: 2008 - 06 - 30 渡,因其可以采用微波印制版技术制作在价廉的基片上,现在已成为一种普遍运用的过渡结构。
波导到微带转换电路 设计报告
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。
Ka频段宽带微带-波导转换
针 - 微带线的方式实现。这样的实现方式具有插入损耗小、可密封、装配一致性好、可靠性高的优 点 。 文中 给出 了 转换 的设 计 方法 及脊 波 导参 数的 计 算公 式以 计 算转 换的 各 项参 数。 设 计完 成后 采 用 电 磁场 软件 进 行优 化仿 真 ，并 根据 仿 真结 果制 作 实物 进行 测 试。 最后 给 出了 转换 实 物的 测试 数 据。从测试数据可以看到，转换在整个 Ka 频段内具有良好的性能，插入损耗小于 0.3 dB ，驻波小 于 1.5 。还可针对具体使用频段进行优化，以进一步提高性能。文中提出的转换完全能够满足实际 工程应用，具有良好的应用前景。 关键词 ： Ka 频段；宽带；微带线；脊波导；绝缘子；阻抗匹配 中图分类号 ： TN814 文献标志码 ： A doi ： 10.11805/TKYDA201702.0243
Ka 频段宽带微带 -波导转换
林 勇 1 ，韩少博
2
(1. 中 国 电 子 科技 集 团 公司 第 13 研 究 所 ， 河北 石 家 庄 050051 ； 2. 吉 林 大学 电 子 科学 与工 程 学 院， 吉林 长 春 130431)
摘
要 ：研究了在 Ka 频段上，宽带微带到波导的转换技术。转换通过波导 - 脊波导 - 绝缘子探
??sbda????0??????abfig1sectionofridgewaveguide????c??zvib?b?2图1脊波导截面示意图??1sin2???tan?cos2dy2???01???bda????0??????ab????c??zpv?????2?3?db2adsin2dcossin2???????222??2?12????????lncosec??cos2????????ba2b24bsin24????c?????1?????????z2zpivi4zpv式24中
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。
横向Ka波段波导微带探针过渡的设计和优化
向具 有 非 零 电场 的波 导模 式 比 如 １ ’ 式 会 在 探 针 上 激 励 出 Ｅ模
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 ， 带 线 上 Ｔ Ｍ 模 向 波 导 入 射 产 微 Ｅ
Ｆ ｇ Ｍｉｒｓｒｐ ｐａ ｅａ ｄ ｗ ｖ ｒｐ ｇ ｔｏ ｉｅ ｔ ｎ ａ ｐ ｒ ｌ ｌ ｉ．２ ｃｏ ｔ ｌｎ ａ ｅｐｏ ａ ａｉｎ ｄｒｃｉ ａａｌ ｉ ｎ ｏ ｅ
过 渡 结 构 不 可 避 免 的会 具 有 容 性 电抗 ， 以 探 针 后 面 还 需 串 所
强 、 性好等 。 韧
文 中 采 用 介 电 常 数 为 ２ 的 Ｄ ｒｉ５ ８ ． ２ ｕｏ ８ ０作 为 电 路 的 介 ｄ
高
质 基 片 。基 片 厚 度 为 ０２ ４ｍｉ。 ． ｌ ５ ｌ
微 带 线 采 用 标 准 的 ５ 标 准 微 带 ， 金 属 层 厚 度 为 ００ ００ ５ｍｍ。 中 心 频 率 ，则 在 中心 频 率 ３ Ｈ 处 微 带 线 宽 ．３ 取 ４Ｇ ｚ
摘 要 ： 绍 了一 种横 向 Ｋ 介 ａ波段 宽 带 波 导一 带探 针 过 渡 的 设 计 。基 于 有 限 元 场 分析 软 件 Ａ ｓｆＨ Ｓ 微 ｎｏ Ｆ Ｓ对 该 类 过 渡 的 ｔ
设 计 方 法进 行 了研 究 。 最后 给 出 了 Ｋ ａ波段 内 的优 化数 据 。 仿 真 结 果 表 明 ，该 宽 带波 导一 带探 针 过 渡在 ２ ． — 微 ６５ Ｇ
图 １ 微 带 平 面与 波 传 播 方 向垂 直
Ｆ ｇ １ Ｍ ｉｒｓｆ ｌｎ ｎｄｗａ ｅｐ ｏ ａ ａｉｎｄｒｃｉｎａｅｐ ｒ ｎ ｉｕａ ｉ． ｃｏｔ ｐｐａ ｅａ ｖ ｒｐ ｇ ｔ ｉｅ ｔ ｒ ｅｐｅ ｄ ｃ ｌｒ ｉ ｏ ｏ
Ka波段脊波导到微带过渡器的设计
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：
参考文献 ［１］ Ｈｕｉ－ｗｅｎ Ｙａｏ， Ａｍｒ， Ｊ－Ｆｕｈ Ｌｉａｎｇ， “Ａ Ｆｕｌｌ Ｗａｖｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ－ｔｏ－ｗａｖｅｇｕｉｄｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ ＭＴＴ－Ｓ， Ｖｏｌ．１， ｐｐ． ２１３－２１６， Ｍａｙ １９９４． ［２］ ｖａｎ Ｈｅｕｖｅｎ， Ｊ．Ｈ．Ｃ， “Ａ Ｎｅｗ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ， Ｖｏｌ．２４， ｐｐ． １４４－１４７， Ｍａｒ １９７６． ［３］ Ｙｉ－Ｃｈｉ Ｓｈｉｈ， Ｔｈｕｙ－Ｎｈｕｎｇ Ｔｏｎ， ａｎｄ Ｌｏｎｇ Ｑ． Ｂｕｉ， “Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｔｏ－ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ ｆｏｒ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ－ｗａｖｅ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ，” ＩＥＥＥ ＭＴＴ－Ｓ， Ｖｏｌ． １， ｐｐ． ４７３－４７５， Ｍａｙ １９８８． ［４］ Ｙｏｋｅ－Ｃｈｏｙ Ｌｅｏｎｇ， Ｓａｎｄｅｒ Ｗｅｉｎｒｅｂ， “Ｆｕｌｌ Ｂａｎｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｔｏ－ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｐｒｏｂｅ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎｓ，” ＩＥＥＥ ＭＴＴ－Ｓ， Ｖｏｌ．４， ｐｐ． １４３５－１４３８， Ｊｕｎｅ １９９９． ［５］ Ｓ．Ｌｌｏｒｅｎｔｅ－Ｒｏｍａｎｏ， Ｂ．Ｐ．Ｄｏｒｔａ－Ｎａｒａｎｊｏ， Ｆ． ｐｅｒｅｚ－Ｍａｒｔｉｎｅｚ， Ｍ．Ｓａｌａｚａｒ－Ｐａｌｍａ， “Ｋａ－ｂａｎｄ Ｗａｖｅｇｕｉｄｅ－ｔｏ－ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｔｒａｎｓｉｔｉｏｎ Ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ Ｉｍｐｌｅｍｅｎｔａｔｉｏｎ，” ＩＥＥＥ， Ｖｏｌ．３， ｐｐ． ４０４－４０７， Ｊｕｎｅ ２００２ ［６］ Ｈｏｐｆｅｒ Ｓ． Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｒｉｄｇｅｄ ｗａｖｅｇｕｉｄｅｓ． ＩＲＥ Ｔｒａｎｓｓｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ＭＴＴ １９９５，Ｏｃｔｏｂｅｒ，２０． ［７］吴万春，甘本拔．现代滤波器的结构与 设计［Ｊ］． 北京：科学出版社． １ ９ ７ ４ ． 作者简介 张洪林（1 9 8 2 - ）， 男 ， 硕 士 生 ， 专 业 方向：电子与通信工程。
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。
波导-微带转接结构
波导-微带转接结构
波导-微带转接结构是一种用于将波导信号转换为微带信号，或者将微带信号转换为波导信号的结构。
这种结构通常由波导、微带线、转换器等部分组成。
在波导-微带转接结构中，波导和微带线之间的转换是通过转换器实现的。
转换器通常由金属薄膜、绝缘层和基板等材料构成。
当波导信号进入转换器时，金属薄膜会感应出电流，电流产生的磁场与波导中的电磁场相互作用，从而将波导信号转换为微带信号。
相反，当微带信号进入转换器时，金属薄膜会感应出电压，电压产生的电场与微带线中的电场相互作用，从而将微带信号转换为波导信号。
在设计和实现波导-微带转接结构时，需要考虑以下几个因素：
1.频率范围：根据需要转换的信号频率范围选择合适的转换器材料和结构。
2.插入损耗：转换器在将波导信号转换为微带信号或微带信号转换为波导信号时，会产生一定的插入损耗。
需要选择插入损耗较小的转换器材料和结构。
3.带宽：转换器的带宽应该足够宽，以适应需要转换的信号带宽。
4.稳定性：转换器应该具有较高的稳定性，以避免由于温度、湿度等因素引起的性能变化。
5.尺寸和重量：在选择转换器材料和结构时，需要考虑尺寸和重量等因素，以便在实际应用中方便使用。
总之，波导-微带转接结构是一种重要的微波毫米波器件，在雷
达、通信、电子对抗等领域有着广泛的应用前景。
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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.。