宽带波导－微带过渡设计 波导

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1 引言
矩形金属波导是微波/毫米波频段的重要传输线形式，由于其高功率容量和低损耗的特性，在各种微波/毫米波的天线、接收机、发射机、测试测量和低损耗部件中有广泛的应用。目前，由于大多数固态器件(MIC,MMIC)都是基于平面电路应用，其中绝大部分为微带电路。微带-波导过渡作为为连接片面电路与波导系统的重要形式。具有体积小，结构简单，频带宽、损耗小等优点，因而得到了广泛的应用。
关于微带-波导过渡的分析、设计的文献较多，有的还给出了特定形式下的设计参数，但由于在实际运用中，工作频段、安装方式以及介质基片与文献中不尽相同，需要设计师自行设计，而目前设计的方法多采用电磁场仿真软件进行参数计算、优化，过程繁琐，耗时巨大。提出了一种将电磁场仿真软件与电路仿真软件相结合的方法，可节省大量时间，但由于电路仿真软件模型的不严格，使得最终结果与全电磁仿真软件有所出入，需要进一步调整参数。
本文介绍一种微带-波导过渡的CAD设计方法，利用商用3维电磁仿真软件Ansoft HFSS的后处理功能，将通常需要进行场仿真计算的的5维变量，减少为2维半。且仿真结果与实际模型十分一致，从而快速、准确地完成微带-波导过渡的设计。
2 设计方法
目前常用的微带-波导过渡的方式为2种，都是将微带探针从波导宽边的中心插入，一种的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。本文介绍的方法对两种微带-波导过渡方式均适用，下面以Ka频段的E面探针为例，详细介绍微带-波导过渡的设计方法。该方法适用于其他频段的波导-微带过渡设计。


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，在波导开窗处用一段匹配段将阻抗匹配至50欧姆，由于匹配段的宽度通常比50欧姆传输线要细，因此将其称为高阻线。在某些情况下，除了高阻线还需要采用一段1/4波长的阻抗变换段将阻抗匹配至50欧姆，以方便和MMIC相连。




图3 微带-波导过渡的基本形式
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，以形成截至波导。由于需要仿真来确定的电路参数较多，如果在电磁仿真软件中进行一个5维的参数扫描，将耗费大量时间，而且难以得到最优值。通过等效模型和端口后处理，可以将需要在场仿真运算中扫描的参数减少到2.5维。
表1 影响微带-波导过渡性能的参数
探针长度探针宽度高阻线
长度高阻线
宽度波导短路面距离
LWL1W1D
首先，建立如图4所示的HFSS仿真模型，该模型将过渡中的微带线简化为一段宽度与探针宽度相同的微带线;波导短路面可由一个阻抗被规一化到0欧姆的端口来代替，通过端口后处理功能demmbed功能即可调整短路面距离D。因此，该模型中在场仿真计算中的变量只有探针长度L和探针宽度W。
在场仿真软件中对L、W进行一次2维的参数扫描，D的扫描可在计算完成后通过deembed功能实现，在计算结果中选取一组最优值，确定微带-波导过渡中L、W、D这三个参数。选取的原则是，由波导开窗处，即图4中的参考面看进去的微带端口的输入阻抗随频率的变化越小越好。




图4 简化仿真模型与短路面端口设置




图5 最优值的选取
然后，在已L、W、D已确定的基础上，建立如图6所示的仿真模型，该模型由微带探针和高阻线构成。对高阻线的宽度进行一次一维的参数扫描。通过定义微带端口的负载阻抗值(等效为外接50欧姆传输线)和利用deembed功能改变微带端口的参考面位置(等效为改变高阻线的长度)，可将此模型等效为实际情况一致的仿真模型。


(a)等效模型 (b)端口定义 (c)实际模型
图6 等效仿真模型与端口定义
在计算出的结果中选取最优值，确定微带-波导过渡的最后两个参数：高阻线长度L1和高阻线宽度W1。选取的方法跟第一相同，选取的原则为：1、输入阻抗尽量靠近理想匹配点。2、输入阻抗随频率的变化尽量小。
最后，将所确定的参数代入图6(C)所示的模型中进行一次场仿真运算，以验证等效模型的准确性。从图7中可以看出，等效模型的仿真结果与实际模型十分一致，从而可以验证，采用上述的设计方法，不仅可以节省大量时间，同时也可以保证其结果的准确性。


图7 最优值选取


等效模型 实际模型
图(7-a)仿真结果对比-S参数


实际模型 等效模型
图(7-b)仿真结果对比-输入阻抗
3 测试结果
利用上述方法，设计了一个H面微带-波导过渡，采用标准BJ320波导，基片介质为0.127mm厚度的ROGERS 5880，介电常数2.2。设计参数如下：
表2 微带波导过渡设计参数(单位：毫米)
探针长度探针宽度高阻线长度高阻线宽度波导短路面距离
1.850.60.40.152.65
背靠背的测试结果如图8所示，该结果包含一段10mm长的微带线，可以看出，该微带-波导过渡性能良好，在26GHz～40GHz频带范围内，背靠背的插损为0.3～0.8dB。


图8 背靠背测试结果(插入损耗)
4 结论
本文介绍了一种微带-波导过渡的设计仿真方法，整个设计过程均在三维电磁仿真软件HFSS中完成，利用端口处理功能简化模型，节省时间，同时保证仿真结果的准确性。试验证明，利用该方法，可以准确快速的完成所需的微带-波导过渡的全部设计。