黃 勇，玄曉波，周小林，劉 超

（上海無線電設(shè)備研究所 上海　200090）

一種新型的波導(dǎo)-雙帶狀線的等功分轉(zhuǎn)換器

黃 勇，玄曉波，周小林，劉 超

（上海無線電設(shè)備研究所 上海200090）

文中提出了一種新型的波導(dǎo)到雙帶狀線的過渡結(jié)構(gòu)。通過多層印制板、反射腔、金屬化通孔形成的約束腔體和"L"型波導(dǎo)構(gòu)成一個(gè)準(zhǔn)封閉的電磁通道，實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)到雙帶狀線的過渡轉(zhuǎn)換。仿真結(jié)果表明，在9GHz到11．5GHz的頻率范圍內(nèi)，該過渡結(jié)構(gòu)的插入損耗小于3．4dB，駐波小于1．4，相對帶寬大于25%，且能實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)至雙帶狀線的等幅反相過渡轉(zhuǎn)換。

帶狀線；波導(dǎo)；探針-波導(dǎo)；過渡

隨著現(xiàn)代軍事裝備朝著小型化、集成化的方向發(fā)展，集成電路在通訊、雷達(dá)、制導(dǎo)等領(lǐng)域中的運(yùn)用日益廣泛［1-2］。波導(dǎo)由于具有功率容量大、結(jié)構(gòu)簡單、損耗小、Q值高等特點(diǎn)，在微波電路與信號系統(tǒng)中被廣泛使用。微帶傳輸線由于其體積小，重量輕、易加工、可集成等特點(diǎn)，在很多運(yùn)用環(huán)境中正逐漸取代金屬波導(dǎo)，成為設(shè)計(jì)集成電路時(shí)一種重要的傳輸信號方式。為最大化地發(fā)揮波導(dǎo)和微帶的各自優(yōu)勢，部分場合中同時(shí)使用兩種傳輸方式，故波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器成為一種必不可少的過渡結(jié)構(gòu)。波導(dǎo)-微帶轉(zhuǎn)換器作為一種無源轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)，其性能的好壞直接影響著系統(tǒng)的性能，因此，如何實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)到微帶線的低損耗轉(zhuǎn)換成了人們十分關(guān)心的重要課題。

關(guān)于微帶-波導(dǎo)過渡結(jié)構(gòu)的文獻(xiàn)較多，主要的過渡方式有微帶-鰭線-波導(dǎo)過渡［3］、微帶-脊波導(dǎo)過渡［4-5］和微帶探針-波導(dǎo)過渡［6］。其中，僅有探針型過渡能實(shí)現(xiàn)從多層印制板中的帶狀線過渡至波導(dǎo)。由于需在探針與帶狀線間進(jìn)行焊接，焊接質(zhì)量的好壞對過渡結(jié)構(gòu)的阻抗匹配影響較大，且需將部分印制板進(jìn)行開槽處理，導(dǎo)致多層印制板壓和后易翹曲變形。另外，當(dāng)傳輸?shù)墓β瘦^大或長時(shí)間振動(dòng)時(shí)，焊點(diǎn)的可靠性不易保證。

文中分析了微帶-波導(dǎo)探針轉(zhuǎn)換的微波傳輸特性，設(shè)計(jì)了一種新型的波導(dǎo)-雙帶狀線轉(zhuǎn)換器，通過該轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)到兩根帶狀線等幅反相的直接過渡，擯棄了焊接操作，且勿需對印制板進(jìn)行開槽。

1　理論分析

波導(dǎo)-雙帶狀線過渡由同軸探針發(fā)展而來。同軸線的外導(dǎo)體與矩形波導(dǎo)的寬壁相連，通過一段起耦合作用的探針把波導(dǎo)中的電場耦合到微帶線上［7］，實(shí)現(xiàn)由TE10模到TEM模的轉(zhuǎn)換，如圖1（a）所示。深入波導(dǎo)的探針距離短路面的距離約為四分之一波長，以保證探針在波導(dǎo)中處于場強(qiáng)最強(qiáng)處。通過調(diào)節(jié)探針深入波導(dǎo)的長度和離短路面的距離，使得過渡結(jié)構(gòu)達(dá)到最佳性能。將同軸線變形，外導(dǎo)體演變成多層印制板的底層，內(nèi)導(dǎo)體演變成帶狀線，帶狀線具有一定寬度，通過調(diào)節(jié)帶狀線寬度、探入波導(dǎo)的長度和離短路面的距離實(shí)現(xiàn)阻抗匹配，如圖1（b）所示。將波導(dǎo)一分為二，即波導(dǎo)被印制板貫穿，如圖1（c）所示，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)與帶狀線間的轉(zhuǎn)換傳輸。若在此基礎(chǔ)上，將帶狀線沿波導(dǎo)窄邊方向?qū)ΨQ布置，即可實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)至帶狀線的等幅反相功分，如圖1（d）所示。

圖1　波導(dǎo)-雙帶狀線過渡結(jié)構(gòu)的演變圖示Fig．1　The evolution of waveguide-to-dual-stripline transition

2　結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與仿真分析

該過渡結(jié)構(gòu)由反射腔、“L”型波導(dǎo)、印制板和填充材料組成，反射腔和“L”型波導(dǎo)正對地緊扣在印制板的上下兩面上，如圖2所示。印制板為5層印制板和4層半固化片壓合而成，上下表層為地層，中間含有一層地層和兩層信號層。反射腔的腔體具有一定深度，其腔體橫向截面尺寸與“L”型波導(dǎo)內(nèi)壁尺寸相同，腔體上壁和側(cè)壁無開口。為實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)的小損耗轉(zhuǎn)彎，在“L”型波導(dǎo)的轉(zhuǎn)角位置設(shè)計(jì)一個(gè)方形的調(diào)諧塊。印制板與金屬反射腔和“L”型波導(dǎo)的接觸區(qū)域內(nèi)的所有地層均被腐蝕掉，以實(shí)現(xiàn)能量的上下傳遞。為減小電磁泄漏［8］，在印制板上下表面之間設(shè)計(jì)一系列環(huán)繞被腐蝕區(qū)域的等間距的金屬通孔。多層印制板、反射腔、印制板中的金屬化孔形成的約束腔體和“L”型波導(dǎo)形成了一個(gè)準(zhǔn)封閉的電磁通道，電磁波經(jīng)過多次反射后有效地朝著“L”型波導(dǎo)進(jìn)行單向傳輸，將帶狀線中傳輸?shù)臏?zhǔn)TEM模轉(zhuǎn)換成適宜波導(dǎo)傳輸?shù)腡E10模，實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)到帶狀線的過渡轉(zhuǎn)換。為了實(shí)現(xiàn)匹配調(diào)諧和減小反射腔的腔體深度，在反射腔和“L”型波導(dǎo)的縱向波導(dǎo)內(nèi)填充了聚四氟乙烯，其尺寸與被填充區(qū)域等大。

圖2　波導(dǎo)-雙帶狀線過渡轉(zhuǎn)換器Fig．2　Configuration of the proposed Waveguide-todual-Stripline transition

由于波導(dǎo)和反射腔被印制板隔開和帶狀線探入了波導(dǎo)腔內(nèi)，在波導(dǎo)被截?cái)嗵幃a(chǎn)生了電抗。為了避免過渡結(jié)構(gòu)的阻抗失配，在兩相鄰帶狀線的上方添加一個(gè)寄生帶狀線，如圖2中的插圖所示，即通過在過渡區(qū)域引入寄生電容實(shí)現(xiàn)帶狀線和波導(dǎo)間的阻抗匹配。

基于以上設(shè)計(jì)，利用電磁仿真軟件HFSS對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行了仿真和優(yōu)化［9］。圖3為駐波仿真結(jié)果，駐波小于1．4的帶寬大于2．5 GHz，相對帶寬約為25%。圖4為該過渡轉(zhuǎn)換器的損耗仿真結(jié)果，從8．8 GHz到11．7 GHz的頻段內(nèi)，波導(dǎo)分別到兩個(gè)對稱帶狀線的損耗均在3 dB左右，兩者最大相差約0．5 dB，說明從波導(dǎo)到兩帶狀線實(shí)現(xiàn)了等幅度的傳輸。在高頻段，損耗S13要比損耗S12大，這是由于“L”型波導(dǎo)的縱向部分相對于兩根帶狀線而言不對稱造成，即在“L”型波導(dǎo)拐角處有一個(gè)矩形調(diào)諧塊。

圖3　駐波仿真結(jié)果Fig．3　Simulation results of VSWR

圖4　損耗仿真結(jié)果Fig．4　Simulation results of insertion loss

圖5為該過渡轉(zhuǎn)換器的相位仿真結(jié)果，從8．8GHz到11．7GHz的頻段內(nèi)，波導(dǎo)到兩個(gè)對稱帶狀線的相位差均約為180°，說明從波導(dǎo)到兩帶狀線的傳輸相位反向。

圖5　相位仿真結(jié)果Fig．5　Simulation results of transmission phase

該過渡結(jié)構(gòu)可以運(yùn)用到眾多場合，如微帶雙極化陣列天線，可以實(shí)現(xiàn)從多層印制板的輻射陣列到波導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)的直接過渡，且能實(shí)現(xiàn)從一個(gè)波導(dǎo)口對兩個(gè)對稱子陣列進(jìn)行等幅反相地饋電。

3　結(jié)　論

文中介紹了一種新型的波導(dǎo)到雙帶狀線的等功轉(zhuǎn)換器的過渡結(jié)構(gòu)，并給出了詳細(xì)設(shè)計(jì)方法。通過多層印制板、反射腔、印制板中金屬化通孔形成的約束腔體和“L”型波導(dǎo)形成一個(gè)準(zhǔn)封閉的電磁通道，實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)到帶狀線的過渡轉(zhuǎn)換。仿真結(jié)果表明，該過渡結(jié)構(gòu)具有低損耗性能和超寬帶的低駐波特性，且能通過該結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)從波導(dǎo)至兩帶狀線等幅反相的過渡轉(zhuǎn)換。

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A novel waveguide-to-dual-stripline transition with equal power

HUANG Yong，XUAN Xiao-bo，ZHOU Xiao-lin，LIU Chao
（Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China）

In this paper，a novel waveguide-to-dual-stripline transition is proposed．The electric field in rectangular waveguide can be transmitter to a dual-stripline by a quasi-enclosed channel consists of multilayer Printed Circuit Board，a reflection cavity，a cavity made from a series of shorting via and an L-shaped waveguide．The simulated results show that the insertion loss less than 3．4dB，VSWR less than 1．4 in the range of 9-11．5GHz，the relative bandwidth is more than 25%．The electric field can transmit with equally amplitude and anti-phase，exhibits good consistency in both magnitude and phase between two output ports．

waveguide；stripline；probe-to-waveguide；transition

TN828

A

1674－6236（2016）02-0093-03

2015-03-28稿件編號：201503412

國家自然科學(xué)基金（61201116）

黃 勇（1982—），男，湖北巴東人，碩士研究生，工程師。研究方向：超寬帶與雙極化天線研究。