一种新型的波导—微带密封过渡结构解析

1 引言

电磁信号在不同传输媒介之间的转换一直是微波和毫米波技术研究的重要内容。在毫米波频段，为便于测试、天馈以及独立微带电路之间的连接，常常需要将微带电路输入、输出端口通过转换结构过渡到矩形波导。在需要将信号作一段距离的传输时，也经常将电路从微带转换至波导，以降低传输损耗。因而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。

在实际应用中，过渡器的一个不可忽视的附加因素是气密要求。很多微带电路，特别是军用微带电路，为保证能在各种恶劣环境条件下性能的稳定性，对系统的气密性提出了更高的要求。另外，目前的微波毫米波电路正在向小型化的趋势发展，为了便于整体电路的小型化设计，过渡器的体积和接口方向也成为一个重要的考虑因素。目前常用的矩形波导—脊波导—微带过渡、波导—微带探针过渡和波导—对极鳍线—微带过渡结构都不能很好的解决气密的问题，而且波导上开口较大，对矩形波导内的场分布也将产生较大的扰动。波导—同轴探针—微带过渡常常被用来解决气密的问题，一般的形式大家都已经很熟悉，与传统的波导—同轴探针—微带过渡不同本文介绍的过渡结构在保证气密的基础上，将微带线从直通方向引出。

2 基本原理

我们可以把深入波导的探针看成一个天线，若同轴线接波源，向波导所限定的方向辐射电磁波，一般地说，只要电磁波的电场或磁场分量与波导某模式的电场或磁场分量一致，该模便会被激励。根据互易定理，若波导口接波源，那么此时能量也能从波导中被耦合出来。探针从波导的短路面插入，与波导内的电场方向垂直，探针会对波导内的场结构产生影响（如图1），这样是不能把能量耦合出去的，所以就要从探针的正上方插入一根调节螺钉，对波导内的场结构产生扰动（如图2）。探针和螺钉的顶面之间就会形成一个电容，能量是可以从这个电容上被耦合出去的。

图1 探针附近的电场矢量

图2 插入调节钉后波导内的电场结构

3 仿真设计

根据理论分析可知，螺钉的位置和长度、探针的长度是影响过渡结构性能的因素。将探针从短路面中间插入，调节螺钉从波导宽边的中间插入，螺钉位于探针尖端的正上方附近，设调节螺钉的半径为变量R1，调节螺钉的长度为变量D，调节螺钉与短路面的距离为变量C，探针的长度为变量L，探针的半径为变量R2，利用Ansoft公司的商用软件HFSS建立模型进行仿真。调节这几个变量可以得到一个较好的效果如图4所示。

图3 过渡结构的侧面剖视图和波导口入视图

图4 过渡结构优化结果

由图中可以看出，在27G-32G之间的一段频率内，过渡结构有较好的性能，插损小于0.2dB。

4 过渡结构的制作与测试

测试采用背对背形式，两个过渡结构由一段15mm长的微带线联接。

图5 测试结构剖面图

测试仪器使用Agilent公司的10MHz—40GHz矢量网络分析仪，旋动调节螺钉得到最佳的传输性能，如图6所示。

图6 测试结果

从图中可以看出，在28GHz—32GHz频率范围内，回波损耗小于-18dB，插入损耗小于0.7dB（其中包括15mm长的50Ω微带线的损耗）。实测结果与仿真结果基本一致，插入损耗较仿真结果略大，这是由装配误差引起的。

图7 实物照片

5 结论

本文介绍了一种直通方向的波导—同轴探针—微带过渡结构，这种结构与以往所用的过渡结构相比，其主要优点在于既解决了波导—微带探针过渡、波导—鳍线—微带过渡等结构普遍存在的气密性的问题，而且具有波导接口—同轴探针—微带线直通的联接方向，比传统的E面插入的波导—同轴探针—微带线过渡结构更有利于小型化集成。由于调节螺钉可以对装配误差进行一定的补偿调节，这种新结构受装配工艺水平的影响也较其他结构更小。但是，这种结构的带宽较窄，有待进一步改进。