Ka 频段波导—同轴探针—微带过渡的研究 http://www.paper.edu.cn 刁睿，徐锐敏，谢小强 电子科技大学电子工程学院，四川成都 (610054) E-mail：screamtodie@163.com 摘 要：本文介绍了一种设计波导—同轴探针—微带过渡结构的方法。设计采用 HFSS 分析 并进行优化，在 26.5-39GHz 范围内，插入损耗小于 0.11dB，输入端回波损耗小于-19.5dB， 最小可达-24dB。 关键词：毫米波，同轴探针，过渡 中图分类号：TN63 1. 引 言 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，也必须 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具 有宽带特性的波导-微带过渡的接口。探针结构是工作于TEM 模的同轴线和工作于 10TE 模 的矩形波导间的一种常用的过渡结构[1]。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。而通常所采用的 E 面探针型波导—微带过渡 结构在波导上的开口较大，不仅使系统的气密性受到一定的影响，对矩形波导内的场分布也 将产生较大的扰动。综合运用相关理论知识并考虑到波导—微带过渡结构的具体要求，采用 波导—同轴探针—微带过渡结构将能够获得较好的效果。 为此本文对波导—同轴探针—微带过渡结构的设计方法进行了介绍。 2. 理论分析 探针在波导中相当于一个小天线，若同轴线接波源，探针便是发射小天线，它向波导所 限定的辐射电磁波. 一般地说，只要电磁波的电场或与波导某模式的电场或磁场分量一致， 该模便会被激励。本文讨论单探针激励矩形波导[2]，如图 1 所示。采用 R.F.Harrington 的等 效电路法来进行研究。在矩形波导内,由同轴波导驱动一根很细的探针,如图所示,细探针被放 置在ｚ=0 的波导模截面上。它的一端由金属组成短路面,另一端接匹配负载。 Z=0 Z Ls 平面A h A y 1x 0 同轴波导 µ n:1 Zin A A x (a) (b) + Z _ Z - 1 - 

短路面 b x a y Ls 0 h 1x 图 1 同轴探针激励矩形波导(a)纵截面和横截面；(b)激励的等效电路 (c) http://www.paper.edu.cn z 矩形波导的宽边为ａ,窄边为ｂ,Ls 是短路面到同轴探针的距离。探针沿ｙ轴的方向放置, 伸入波导部分的高度为ｈ,与ｙ轴的距离为ｄ(即在ｘ轴上的坐标是 1x )。从平面ｚ=0 来看, +Z 和 −Z 分别是+ｚ和-ｚ方向矩形波导的输入阻抗。X 是存在于探针附近的高次模的电抗, ｎ和 X 被定义在公式(2)和(3)中。 一般的波导系统中,在激励起的模式里面,如果只有一种模式能够传播,并且当终端器不 是太靠近同轴接头时,那么,除了 0=i 以外,所有的 iZ 都是虚数,而且所有的 iΓ 都等于零。于是, 根据 Harrington 的稳定阻抗公式,探针的输入阻抗为 式中： (1) (2) 探针相对于波导较细,那么探针上的电流可近似地认为是正弦分布的，通过计算推导， 得到输入阻抗中的电阻部分的计算公式为， (3) (4) 因探针从波导宽边插入，这样，辐射的电磁波的电场以平行于探针的为主，从而有效地 激励 10TE 模[3]。在探针近旁，根据边界条件会有多个模式存在，但波导尺寸通常只能传输 主模，高次模不能传输，仅在探针附近成局部场，使探针具有电抗性。为使 10TE 模的能量 处短路。探针激励 10TE 模的最佳 只向波导的一端传输，常在波导的另一端距探针 l λ≈ 4g - 2 - 

http://www.paper.edu.cn 位置应该在波导宽边中心，即 1x =a/2 处，代入上式可求得 h。这样，上述结构便实现了同轴 线的 TEM 模向矩形波导 10TE 模的转变。相反，由互易定理，若矩形波导接波源，探针则是 一个接收小天线，它能实现波导的 10TE 模向同轴线 TEM 模的转变。 3. 结构图及仿真结果 根据公式推导出的结果，将探针通过波导宽边开口插入波导腔中，通过一段起耦合探针 作用的探针把波导中的电场耦合到同轴线中去，矩形波导中距离探针 4gλ 的短路活塞起保 证探针在波导内处于最大电压，即电场最强位置的作用。在 HFSS 中建立模型，如图 2 所示： ' 仿真结果如图 3 所示，在32-38GHz 内插入损耗小于-0.15dB，输入端回波损耗小于-18dB。 图 2 波导到同轴线的过渡结构 图 3 (a) 回波损耗 图 3 (b) 插入损耗 本文将同轴探针作了进一步的改进，在探针上加了套筒，它的优点是：插入损耗低，具 有较大工作带宽，调节套筒的半径和高，就能调节其耦合的能量和工作的带宽，其作用相当 于一个加载的天线。做了这样的改进后，探针的工作频段可以大大加宽。 探针的输入阻抗是插入深度、套筒半径和高、波导终端短路距离以及频率的函数，这些 取值可通过优化得到，使其成为相对稳定的结构，这种结构应能够在较宽的频率范围内，保 持较小的插入损耗和输入驻波比。在 HFSS 中建立如图 4 所示的结构模型。 - 3 - 

http://www.paper.edu.cn 图 4 改进的波导到同轴线的过渡结构 设计同轴线到微带的转换时首先需要根据相关公式确定电路各个元件的尺寸。由于在此 过渡结构中，特别是同轴线内导体与金属导带相连接的部分，有很大的不连续性，会激励出 较多的高次模，因此必须采取一定方法进行补偿。从路的观点来看，排除电路损耗的影响， 电路中不连续性可以看作无耗网络，它包括电容、电感、理想变压器和无损的传输线段。对 简单情况，可以设想不连续性仅仅存在于某一个横截面上，等效电路通常只要用一个串联或 并联的电抗就够了。但具体到这个过渡结构本身，由于在空间的场分布非常的复杂，要进行 定量的理论分析变得十分困难，所以在处理的时候选择了实验仿真的办法。通过多次的分析 和仿真，最终确定在同轴线内导体与金属导带相连接部分的周围，将导带的宽度适当加宽以 进行补偿，可获得较好的电路特性，模型结构如图 5 所示。 最终确定在同轴线内导体与金属导带相连接部分的周围，将导带的宽度适当加宽以进行 补偿，可获得较好的电路特性。 图 5 同轴线到微带线的过渡结构 最后确定下来的结构如图 6 所示。 图 6 同轴探针型波导—微带的过渡结构 - 4 - 

结果如图 7（a）和图 7（b）所示，在 26.5-39GHz 范围内，插入损耗小于 0.11dB，输 入端回波损耗小于-19.5dB，最小可达-24dB。可见，此转换结构带宽很宽，插入损耗小，回 波损耗小，是一种比较理想的转换结构。 http://www.paper.edu.cn 图 7（a） 回波损耗 图 7（b） 插入损耗 4. 结论 本文对同轴探针型波导—微带过渡结构的设计方法进行了介绍，并给出了一组适用于 Ka 频段的设计数据和曲线。对于提高微波毫米波系统的性能有很大的帮助。 参考文献 [1] 薛良金，毫米波工程基础，哈尔滨工业大学出版社，2004.3. [2] 钱志方，杨鸿生，波导的探针激励研究，电子器件，Vol.25,No.3,Sep,2002. [3] Kanghan Wang; Zhihong Chen; Yumei Zhou; Jinzhong Hao. A novel coaxial probe waveguide to microstrip transition. Microwave Conference Proceedings, 2005. APMC 2005. Asia-Pacific Conference Proceedings Volume 1, 4-7 Dec. 2005 Page(s):3 pp Reseach of Waveguide- Coaxial Probe- Microstrip Transition at Ka-band Diao Rui, Xu Ruimin, Xie Xiaoqiang College of Electronic Engineering, UESTC, Chengdu, SiChuan (610054) Abstract In this paper, a theory and method of design a Waveguide-Coaxial Probe-Microstrip transition structure at Ka-band is proposed. The structure was designed and simulated in HP-HFSS. In the band of 26.5-39GHz, insert loss is smaller than 0.11 dB, the return loss is smaller than -19.5 dB, the smallest can reach -24 dB. Keywords: millimeter-wave, coaxial probe, transition - 5 -