波导缝隙阵列（四）

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2023-04-10 14:23:55 636

分享一些毫米波馈电网络中的转换器。

转换器本质上是能量的接力，因此需要减小能量泄漏（损耗），理想状态下是波导能量100&进入微带结构内，因此设计关键点在于电磁波工作模式的转换，通常是波导内的TE10到微带结构上的准TEM模式，另外一个是阻抗匹配（本质上也是为第一点服务）。结构不需要太复杂，越简单实用性越强。

在通信、成像、汽车雷达和跟踪雷达等不同领域，为了处理这些频率范围内的高功率要求，常用波导组件进行馈电网络设计。在毫米波中，由于更易于制造和损耗更低，通常采用波导代替同轴电缆作为主要传输线。另外集成电路多集成在PCB板上。因此，微带线和波导之间的低插入损耗和宽带转换器对于这些应用来说非常重要。此外，在毫米和太赫兹频率下，由于缺少连接器，大多数测量设备都是基于波导的，这就是需要转换的原因。从微带线到波导的转换有多种类型，常见的有脊波导、耦合探头、偶极子天线、基片集成波导 (SIW)等。

Design-1: E-Plane Probe Transition with Back Short

E面探针耦合方式使用频率非常高。在此转换中，微带线通过矩形波导的E平面中的孔插入，将波导的TE10模式耦合到微带线实现电磁能量的准TEM模式。在E平面探头转换网络中，输入端口垂直于输出端口，所以在有限空间内实现能量辐射比较困难，有时候需要将波导弯曲才能减小能量损失。

转换器包括一个位于电介质基板一侧的印刷探针，通常是简单形式的天线，将微带天线或者探针插入矩形波导中，背面短路。这种类型的转换对电介质基板和微带线相对于波导的位置非常敏感。且介质板厚度和探头的通道宽度和高度非常小，以便所有波导模式都处于截止状态，只有微带准TEM模式可以在工作频带内传播。

下面是基于E平面探头的波导到微带线转换的设计，设计用于汽车雷达应用的毫米波 (65-85 GHz)。微带线一端的耦合探头通过波导宽壁中的孔引入垂直波导。探头设计为矩形贴片。波导的一端被金属板短路。液晶聚合物(LCP)用作基板材料以降低传输损耗。基板厚度设定为0.79mm。微带线特性阻抗为50Ω。探头中心和波导反向短路之间的距离是工作频率为75GHz时，WR12 波导波长的四分之一。优化孔径尺寸以有效引导能量耦合到微带线，并最大限度地减少其对波导中场分布的影响。

通过使通孔将介质板的接地平面和两侧的波导面可以有效抑制能量泄漏，同时为了减少波导开口窗口的能量泄漏，开口的宽度应小于截止工作波长。同时在探针末端使用了一个径向短截线进行阻抗匹配网络的调节以实现宽带性能。

仿真结果如下图所示。在62GHz-78GHz范围内，回波损耗小于-20 dB。73GHz 时的最大回波损耗为-22.8 dB。在62-78GHz范围内，插入损耗大于-0.21 dB。73 GHz 时的最小插入损耗为-0.1 dB。对于小于-20 dB 的回波损耗，转换带宽约为 22%。

金属探头上的电流耦合到矩形波导的 TE10 主模磁场，如下图所示。介质板上的通孔减少了将能量限制在指定区域，以减小介质损耗。通过控制探头的长度和背短波导的距离来实现阻抗匹配。

Design-2: Half-Height Waveguide to Microstrip Line Transition

标准矩形波导的宽度通常是高度的两倍，但也可以比例略有不同。波导的长度a决定了波导的TE10截止波长，波导的高度主要影响其阻抗。因此出于匹配目的或为了减轻重量，有时会使用高度为正常波导高度一半的波导：

如下所示，从微带线到波导的渐变结构用于平滑地实现阻抗匹配。馈电点的反射系数取决于探头长度、波导短距离和探头宽度。为确保有效的电耦合，探头始终位于结构中的最大电场处。下图为半高波导WR12转50Ω微带线的电磁仿真模型。介质板为10miL厚的石英基材。探针贴片垂直插入宽壁的中心。平面垂直于横截面并平行于半高波导的 E 平面。不过在案例1中，微带线探针垂直于 E 平面。

Design-3 Oversized Waveguide to microstrip line transition for Radial Power combiner/ divider

在雷达和卫星通信的毫米波系统中，功率放大器（PA）是常见的大功率器件。例如在60G毫米波频段通信系统中，由于大气层对该频率的衰减非常大，为保证传输距离，需要提升系统发射功率（几瓦）。单个固态功率放大器 (SSPA) 无法满足此要求，转而使用高功率波导功率分配器/合路器，可以将一个公共输入端口的信号分配到N个输出波导腔。对称超大同轴波导功率合成器利用平面微带探头将 TE10 模式转换为准 TEM 模式。这种过渡网络具有高效的宽带性能，已在许多毫米波系统中得到广泛应用。

下图是回波损耗和插入损耗图。回波损耗 (S11) 在频带62GHz至87 GHz上优于-10dB，提供宽带（35% 带宽）性能。外围端口之间的隔离优于12dB。这种径向功率合分器具有易于设计和制造、与毫米波集成电路完美兼容、低插入损耗和高功率合路效率等优点。

Design-4 In-Line Stepped Transformation H-plane Waveguide to Microstrip line Transition

在这种转换结构中，微带线中的场传播方向与波导相同。使用阶梯脊形波导的宽带阻抗变换器可以将TE10 矩形波导模式通过耦合转换到平面微带中的准TEM模式。脊波导具有较小的等效阻抗，更容易与同轴和微带线匹配。波导到微带线的过渡是使用阶梯结构，如图所示。通过阶梯脊波导实现和微带传输线的阻抗匹配。探头位于平行于波导宽边的平面上，并从波导的背面插入，使两个器件的 E 平面平行。微带线沿宽边居中。

Design-5 Inline Waveguide to Microstrip line transition using a Slope-Probe

设计4中讨论的阶梯式脊形探头加工困难，而且尺寸对结构很敏感。可以使用如下图所示的平滑结构过渡代替阶梯结构，实现波导阻抗与微带线阻抗相匹配。这样可以使矩形波导TE10模式逐渐转换为微带结构中的准TEM 微带模式。

Design-6: Inline Waveguide to Microstrip Line Transition through a Coaxial Line

下图为波导到 50 欧姆同轴线的转换器。波导到微带线（通过 SMA 连接器线输出端口）的转换是使用阶梯状转换器设计，如图所示。同轴线内导体穿过过波导内部，调节深度实现两者阻抗匹配。

波导转同轴转换器的设计有两个关键因素；第一个是输入输出的模式转换，即波导的TE10模式转换为同轴线的TEM准模式，第二是阻抗匹配。矩形波导的特性阻抗是频率的函数。因此，为了在所需频率范围内将矩形波导阻抗与 50Ω同轴线阻抗相匹配，需要一个多级匹配电路。仿真结果如下：

另外在一些应用中，微带天线被放置在设计的顶面，并由一个在线波导馈电，如下图所示。这种设计的优点之一是它可以很容易地与天线的微带馈线集成，也可以直接连接到贴片天线。

Design-7 E-Plane Waveguide to Microstrip line transition through Coaxial line

在波导转同轴E平面转换器中，探头的中心导体（同轴线）垂直插入波导中。这会激发波导中的TE10模式。探头的放置方式应使反射的电磁场与入射的电磁场同相组合。短路壁与探头中心之间的距离经过优化，可实现良好的阻抗匹配，通常为λg/4。在不额外使用匹配元器件的前提下，E平面探头提供窄带性能，若想增加带宽，则需要额外使用匹配元器件。同轴线和探头垂直于微带线和波导。探头插入波导宽边中心的波导。S11 结果如图所示，通带内优于-10dB

References：

[1] A. Pandey, Practical Microstrip and Printed Antenna Design, Artech House, Norwood, MA, 2019.

[2] Wheeler, G. Broadband waveguide-to-coax transitions. In Proceedings of the 1958 IRE International Convention Record, New York, NY, USA, 21–25 March 1966; Volume 5, pp. 182–185.

[3] Yao, H.-W.; Abdelmonem, A.; Liang, J.-F.; Zaki, K.A. Analysis and design of Microstrip-to-Waveguide Transitions. IEEE Trans. Microw. Theory Tech. 1994, 42, 2371–2380.

[4]A. K. Pandey, “Design of a cosecant square-shaped beam pattern SAR antenna array fed with square coaxial feeder network,” 2013 European Microwave Conference, Nuremberg, 2013, pp. 1699-1702.

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