1  引言

電磁信號(hào)在不同傳輸媒介之間的轉(zhuǎn)換一直是微波和毫米波技術(shù)研究的重要內(nèi)容。在毫米波頻段，為便于測試、天饋以及獨(dú)立微帶電路之間的連接，常常需要將微帶電路輸入、輸出端口通過轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)過渡到矩形波導(dǎo)。在需要將信號(hào)作一段距離的傳輸時(shí)，也經(jīng)常將電路從微帶轉(zhuǎn)換至波導(dǎo)，以降低傳輸損耗。因而采用微帶的毫米波集成電路往往都必須包含波導(dǎo)—微帶過渡接口。

在實(shí)際應(yīng)用中，過渡器的一個(gè)不可忽視的附加因素是氣密要求。很多微帶電路，特別是軍用微帶電路，為保證能在各種惡劣環(huán)境條件下性能的穩(wěn)定性，對(duì)系統(tǒng)的氣密性提出了更高的要求。另外，目前的微波毫米波電路正在向小型化的趨勢發(fā)展，為了便于整體電路的小型化設(shè)計(jì)，過渡器的體積和接口方向也成為一個(gè)重要的考慮因素。目前常用的矩形波導(dǎo)—脊波導(dǎo)—微帶過渡、波導(dǎo)—微帶探針過渡和波導(dǎo)—對(duì)極鰭線—微帶過渡結(jié)構(gòu)都不能很好的解決氣密的問題，而且波導(dǎo)上開口較大，對(duì)矩形波導(dǎo)內(nèi)的場分布也將產(chǎn)生較大的擾動(dòng)。波導(dǎo)—同軸探針—微帶過渡常常被用來解決氣密的問題，一般的形式大家都已經(jīng)很熟悉，與傳統(tǒng)的波導(dǎo)—同軸探針—微帶過渡不同本文介紹的過渡結(jié)構(gòu)在保證氣密的基礎(chǔ)上，將微帶線從直通方向引出。

2  基本原理

我們可以把深入波導(dǎo)的探針看成一個(gè)天線，若同軸線接波源，向波導(dǎo)所限定的方向輻射電磁波，一般地說，只要電磁波的電場或磁場分量與波導(dǎo)某模式的電場或磁場分量一致，該模便會(huì)被激勵(lì)。根據(jù)互易定理，若波導(dǎo)口接波源，那么此時(shí)能量也能從波導(dǎo)中被耦合出來。探針從波導(dǎo)的短路面插入，與波導(dǎo)內(nèi)的電場方向垂直，探針會(huì)對(duì)波導(dǎo)內(nèi)的場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生影響（如圖1），這樣是不能把能量耦合出去的，所以就要從探針的正上方插入一根調(diào)節(jié)螺釘，對(duì)波導(dǎo)內(nèi)的場結(jié)構(gòu)產(chǎn)生擾動(dòng)（如圖2）。探針和螺釘?shù)捻斆嬷g就會(huì)形成一個(gè)電容，能量是可以從這個(gè)電容上被耦合出去的。

圖1  探針附近的電場矢量

圖2  插入調(diào)節(jié)釘后波導(dǎo)內(nèi)的電場結(jié)構(gòu)

3  仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)理論分析可知，螺釘?shù)奈恢煤烷L度、探針的長度是影響過渡結(jié)構(gòu)性能的因素。將探針從短路面中間插入，調(diào)節(jié)螺釘從波導(dǎo)寬邊的中間插入，螺釘位于探針尖端的正上方附近，設(shè)調(diào)節(jié)螺釘?shù)陌霃綖樽兞縍1，調(diào)節(jié)螺釘?shù)拈L度為變量D，調(diào)節(jié)螺釘與短路面的距離為變量C，探針的長度為變量L，探針的半徑為變量R2，利用Ansoft公司的商用軟件HFSS建立模型進(jìn)行仿真。調(diào)節(jié)這幾個(gè)變量可以得到一個(gè)較好的效果如圖4所示。

圖3  過渡結(jié)構(gòu)的側(cè)面剖視圖和波導(dǎo)口入視圖

圖4  過渡結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果

由圖中可以看出，在27G-32G之間的一段頻率內(nèi)，過渡結(jié)構(gòu)有較好的性能，插損小于0.2dB。

4  過渡結(jié)構(gòu)的制作與測試

測試采用背對(duì)背形式，兩個(gè)過渡結(jié)構(gòu)由一段15mm長的微帶線聯(lián)接。

圖5  測試結(jié)構(gòu)剖面圖

測試儀器使用Agilent公司的10MHz—40GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，旋動(dòng)調(diào)節(jié)螺釘?shù)玫阶罴训膫鬏斝阅埽鐖D6所示。

圖6  測試結(jié)果

從圖中可以看出，在28GHz—32GHz頻率范圍內(nèi)，回波損耗小于-18dB，插入損耗小于0.7dB（其中包括15mm長的50Ω微帶線的損耗）。實(shí)測結(jié)果與仿真結(jié)果基本一致，插入損耗較仿真結(jié)果略大，這是由裝配誤差引起的。

圖7 實(shí)物照片

5  結(jié)論

本文介紹了一種直通方向的波導(dǎo)—同軸探針—微帶過渡結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)與以往所用的過渡結(jié)構(gòu)相比，其主要優(yōu)點(diǎn)在于既解決了波導(dǎo)—微帶探針過渡、波導(dǎo)—鰭線—微帶過渡等結(jié)構(gòu)普遍存在的氣密性的問題，而且具有波導(dǎo)接口—同軸探針—微帶線直通的聯(lián)接方向，比傳統(tǒng)的E面插入的波導(dǎo)—同軸探針—微帶線過渡結(jié)構(gòu)更有利于小型化集成。由于調(diào)節(jié)螺釘可以對(duì)裝配誤差進(jìn)行一定的補(bǔ)償調(diào)節(jié)，這種新結(jié)構(gòu)受裝配工藝水平的影響也較其他結(jié)構(gòu)更小。但是，這種結(jié)構(gòu)的帶寬較窄，有待進(jìn)一步改進(jìn)。