雷达天线中的能量转换问题（二）

2月前浏览3068

本期将介绍天线中的另一种能量转换：微带到波导的转换问题；

雷达系统中微带转波导是一种将微带线转变为波导的结构，用于传输高频信号。微带转波导的原理涉及到微带线和波导之间的能量耦合和转换。微带线通常是由导体贴片、介质层和地平面组成，而波导是一种闭合的金属结构，用于传输高频信号。通过适当设计微带转波导的结构，可以实现对毫米波信号的有效传输和转换。

微带线（Microstrip Line）是一种平面传输线结构，通常由一层绝缘基板上的金属导体带和底层金属地面层组成。常用于设计射频（RF）和微波电路，如微带天线、功分器、滤波器、耦合器等。微带线结构包括一层绝缘基板和上面的金属导体带，与底层的金属地面层相对应。导体带的宽度、形状和基板的介电常数等参数可以调整，以满足特定应用的要求。

微带线及电场分布

微带技术通常在低频时具有良好的性能。当信号通过微带传输线时，电场和磁场都会在地板和基板之间形成。由于接地板和基板之间的电场和磁场分布，微带传输线中的电场和磁场可以以横向的方式传播，在准TEM模式下，电场和磁场的横向分布是主要的，而纵向分布相对较小。这意味着微带传输线中的电场和磁场在横向方向上波动，而在纵向方向上几乎不变化。这种横向波动的特性使得微带传输线能够传输准TEM模式。不过，需要注意的是，微带传输线并不能完全实现真正的TEM模式传输，由于微带传输线的结构限制，在微带传输线中，电场和磁场仍然会存在一定的纵向分布。矩形波导的基本单元由一个空心导体组成，可以在特定的截止频率fc上传播电磁场。矩形波导只能传播TE和TM模式，而不能传播TEM模式。波导中存在其他传播模式，但波导通常在以单模工作为主。TEM模式的特征是传播方向的场为零值分量Ez = 0和Hz = 0，而在TE模式中，只有传播方向的电场为零Ez = 0，TM模式的磁场为Hz = 0。

矩形波导

波导管的高度b通常为a/2，以在单个模式实现66%的传输带宽。截止频率与波导的宽度有关，若波导内填充有相对介电常数εr和相对磁导率μr = 1的介质，则截止频率fc由公式a计算。其他模态的截止频率由下面的公式计算，选择不同的m和n来计算每个模式开始传播的频率，公式b。

不同模式下的磁场a和电场b的分布

微带到波导的转换

微带线是用于印刷电路板（PCB）的平面传输线，而波导是引导电磁波的金属结构。这两种结构之间的转换涉及将导波从一种介质转换为另一种介质。关键原理是将微带线的阻抗和模式结构与波导相匹配，以最大限度地减少反射并最大限度地提高功率传输。

微带转波导仿真模型

如上图的简单结构，通过在波导壁上开孔，将微带线伸入波导腔体内，可实现微带上能量到波导内的耦合。类似于同轴到波导转换的操作，可以通过考虑进入微带端口的连续波信号来理解，波导端口端接在匹配的负载中。TE10电场模式的最大值在宽壁中心线的平面上，因此探头的延伸通过充当短电容单极子而与TE10模式强耦合。高阶波导模式被切断，但对探头的电抗有贡献。长度约为λ0/4的短路导轨产生与探头的容抗并联的感抗，用于将总输入电抗调谐为零。即短路导轨是分流单短截线调谐器。探头电抗取决于其长度、宽度和介质基板，而短路导电抗则取决于扩展的波导长度。这些尺寸经过调整，以最大限度地降低总输入电抗，并在微带和波导端口之间获得纯电阻阻抗匹配。矩形波导可以通过适当选择探头长度、探头宽度和短路腔长度来匹配微带线。通过对集成微带变压器进行适当的尺寸调整，可以实现进一步的匹配。下面显示的结果是在相对介电常数为 3、高度为 0.254 mm（电气高度为 3 % λ0）的介质材料上 50 Ω 微带线的结果。此设计的波导宽高比为 2：1，探头嵌入为 0.112 λg（其中 λg 是波导中的波长）。具有低介电常数的电厚基板往往会增加插入损耗，如下所示的典型性能图所示。转换器的典型带宽约为40%，但由于基板电薄和介电常数高，随着探针宽度变薄而减小。

归一化S参数

上述所提及的微带传输线为单个传输线，另一篇论文中采用差分传输线实现到波导的能量传输。微带差分线是由两个平行排列的微带线组成，平行线分别连接到差分信号的正负端，有相等但相反方向的电流分布，以传输差分信号。两条微带线之间可以有绝缘材料，而它们的尺寸和间距会根据特定应用的频率和阻抗要求而调整。微带差分线能有效地抑制共模干扰并提高信号完整性。微带差分线常用于差分信号传输的射频和微波电路中，如差分放大器、差分滤波器和通信系统。

仿真模型对比

微带差分线在高频应用中具有重要作用，特别是在需要传输差分信号且对信号完整性要求较高的场合。其设计需要仔细考虑阻抗匹配和共模抑制等因素，以确保系统性能的优异性。论文中对微带转波导结构的设计采用差分微带线，一方面提升抗干扰设计，另一方面差分微带线馈线能量通过贴片的非辐射边缘馈入，将差分馈电天线集成到转换器中，无需切入波导的长侧壁，同时波导壁可以作为电屏蔽墙。介质板上设计的天线主要包括辐射部分（主贴片和寄生贴片）和匹配网络。天线的主贴片采用耦合馈电形式。寄生贴片靠近主贴片位置，采用寄生单元结构来拓展转换器的工作带宽。而主贴片和寄生贴片的宽度则主要影响转换器的工作带宽。

仿真模型及仿真结果

在差分传输线中有两种模式传播：差模和共模，对于差模信号，贴片的辐射边缘具有均匀的电场分布，平行于波导的宽边。对于共模馈电信号，电场平行与波导的窄边。因此，辐射贴片的基本模式是工作在差模信号下的TM01模以及共模信号下的TM10模。同时TM01模也是波导的基本工作模式。在差模信号下，贴片的谐振频率主要由长度决定，略小于工作频率的半波长，通过调整寄生贴片和主辐射贴片的长度就能实现双频工作。

不同频率下的电场分布

设计微带线到波导的过渡涉及确保两种传输介质之间电磁能量的有效耦合，同时最大限度地减少反射和损耗。关键原理是将微带线的阻抗和模式结构与波导相匹配，以最大限度地减少反射并最大限度地提高功率传输。

设计注意事项：

阻抗匹配：微带线的特征阻抗应与波导的阻抗相匹配，以尽量减少反射。这通常通过逐渐变细或匹配部分来实现。

模式转换：微带模式和波导模式之间的高效模式转换对于低损耗传输至关重要。可以采用阶跃转换或模式转换器（例如，E平面或H平面探头）等技术。

带宽：转换应在所需的工作频率范围内保持良好的性能。这可能涉及优化过渡结构的几何形状和尺寸。

损耗：最小化过渡区域的导体损耗和介电损耗对于实现高效率至关重要。正确选择基板材料和导体几何形状有助于减少损耗。

对准：微带线和波导之间的精确对准是必要的，以防止因未对准而导致的额外损耗。

可制造性：过渡设计应与制造技术兼容，例如PCB制造或波导组件的加工。

设计步骤：

1.确定工作频率范围和阻抗要求。

2.为微带线选择合适的基板材料和尺寸。

3.设计过渡结构时考虑阻抗匹配和模式转换技术。

4.使用电磁仿真软件对设计进行仿真，以优化性能。

5.制造和测试原型，根据需要调整尺寸以获得最佳性能。

附：CST仿真软件中差分端口的设置

1. 选择port1，建立标准端口；

2. 编辑端口属性，选中Multipin ports选择port1，在弹出的窗口选择Add,并设置端口1为Positive（需要选中端口1的面）.同样的方法设置Negative port.

参考文献：

1. ZiqiangTong, and Andreas Stelzer, A Vertical Transition Between Rectangular Waveguideand Coupled Microstrip Lines , IEEE MICROWAVE AND WIRELESS COMPONENTS LETTERS,VOL. 22, NO. 5, MAY 2012

2.WAVEGUIDE TO MICROSTRIP LINE TRANSITIONS FOR MMWAVE APPLICATIONS，Anil Pandey · in RF/Microwave Designs, Technology.

来源：雷达天线站