1 引言

矩形金屬波導(dǎo)是微波/毫米波頻段的重要傳輸線形式，由于其高功率容量和低損耗的特性，在各種微波/毫米波的天線、接收機(jī)、發(fā)射機(jī)、測(cè)試測(cè)量和低損耗部件中有廣泛的應(yīng)用。目前，由于大多數(shù)固態(tài)器件（MIC,MMIC）都是基于平面電路應(yīng)用，其中絕大部分為微帶電路。微帶－波導(dǎo)過渡作為為連接片面電路與波導(dǎo)系統(tǒng)的重要形式。具有體積小，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，頻帶寬、損耗小等優(yōu)點(diǎn)，因而得到了廣泛的應(yīng)用。

關(guān)于微帶－波導(dǎo)過渡的分析、設(shè)計(jì)的文獻(xiàn)較多，有的還給出了特定形式下的設(shè)計(jì)參數(shù)，但由于在實(shí)際運(yùn)用中，工作頻段、安裝方式以及介質(zhì)基片與文獻(xiàn)中不盡相同，需要設(shè)計(jì)師自行設(shè)計(jì)，而目前設(shè)計(jì)的方法多采用電磁場(chǎng)仿真軟件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算、優(yōu)化，過程繁瑣，耗時(shí)巨大。提出了一種將電磁場(chǎng)仿真軟件與電路仿真軟件相結(jié)合的方法，可節(jié)省大量時(shí)間，但由于電路仿真軟件模型的不嚴(yán)格，使得最終結(jié)果與全電磁仿真軟件有所出入，需要進(jìn)一步調(diào)整參數(shù)。

本文介紹一種微帶－波導(dǎo)過渡的CAD設(shè)計(jì)方法，利用商用3維電磁仿真軟件Ansoft HFSS的后處理功能，將通常需要進(jìn)行場(chǎng)仿真計(jì)算的的5維變量，減少為2維半。且仿真結(jié)果與實(shí)際模型十分一致，從而快速、準(zhǔn)確地完成微帶－波導(dǎo)過渡的設(shè)計(jì)。

2 設(shè)計(jì)方法

目前常用的微帶－波導(dǎo)過渡的方式為2種，都是將微帶探針從波導(dǎo)寬邊的中心插入，一種的介質(zhì)面垂直與波導(dǎo)傳輸方向，稱為H面探針，如圖1所示，另一種介質(zhì)面平行于波導(dǎo)傳輸方向，稱為E面探針，如圖2所示。本文介紹的方法對(duì)兩種微帶－波導(dǎo)過渡方式均適用，下面以Ka頻段的E面探針為例，詳細(xì)介紹微帶－波導(dǎo)過渡的設(shè)計(jì)方法。該方法適用于其他頻段的波導(dǎo)－微帶過渡設(shè)計(jì)。

圖1 H面探針

圖2 E面探針

微帶—波導(dǎo)過渡的構(gòu)成形式如圖3所示，探針從波導(dǎo)寬邊的中心插入，在波導(dǎo)開窗處用一段匹配段將阻抗匹配至50歐姆，由于匹配段的寬度通常比50歐姆傳輸線要細(xì)，因此將其稱為高阻線。在某些情況下，除了高阻線還需要采用一段1/4波長(zhǎng)的阻抗變換段將阻抗匹配至50歐姆，以方便和MMIC相連。

圖3 微帶－波導(dǎo)過渡的基本形式

對(duì)微帶－波導(dǎo)過渡性能有較大影響的電路參數(shù)共5個(gè)，由表1列出。探針插入處波導(dǎo)開窗的大小對(duì)性能也有一定影響，在設(shè)計(jì)時(shí)可先將其確定。一般的原則是開窗越小越小越好，以形成截至波導(dǎo)。由于需要仿真來確定的電路參數(shù)較多，如果在電磁仿真軟件中進(jìn)行一個(gè)5維的參數(shù)掃描，將耗費(fèi)大量時(shí)間，而且難以得到最優(yōu)值。通過等效模型和端口后處理，可以將需要在場(chǎng)仿真運(yùn)算中掃描的參數(shù)減少到2.5維。