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

E面探針耦合方式使用頻率非常高。在此轉(zhuǎn)換中，微帶線通過(guò)矩形波導(dǎo)的E平面中的孔[敏感詞]，將波導(dǎo)的TE10模式耦合到微帶線實(shí)現(xiàn)電磁能量的準(zhǔn)TEM模式。在E平面探頭轉(zhuǎn)換網(wǎng)絡(luò)中，輸入端口垂直于輸出端口，所以在有限空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)能量輻射比較困難，有時(shí)候需要將波導(dǎo)彎曲才能減小能量損失。

轉(zhuǎn)換器包括一個(gè)位于電介質(zhì)基板一側(cè)的印刷探針，通常是簡(jiǎn)單形式的天線，將微帶天線或者探針[敏感詞]矩形波導(dǎo)中，背面短路。這種類(lèi)型的轉(zhuǎn)換對(duì)電介質(zhì)基板和微帶線相對(duì)于波導(dǎo)的位置非常敏感。且介質(zhì)板厚度和探頭的通道寬度和高度非常小，以便所有波導(dǎo)模式都處于截止?fàn)顟B(tài)，只有微帶準(zhǔn)TEM模式可以在工作頻帶內(nèi)傳播。

[敏感詞]是基于E平面探頭的波導(dǎo)到微帶線轉(zhuǎn)換的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)用于汽車(chē)?yán)走_(dá)應(yīng)用的毫米波 (65-85 GHz)。微帶線一端的耦合探頭通過(guò)波導(dǎo)寬壁中的孔引入垂直波導(dǎo)。探頭設(shè)計(jì)為矩形貼片。波導(dǎo)的一端被金屬板短路。液晶聚合物(LCP)用作基板材料以降低傳輸損耗?；搴穸仍O(shè)定為0.79mm。微帶線特性阻抗為50Ω。探頭中心和波導(dǎo)反向短路之間的距離是工作頻率為75GHz時(shí)，WR12 波導(dǎo)波長(zhǎng)的四分之一。優(yōu)化孔徑尺寸以有效引導(dǎo)能量耦合到微帶線，并最大限度地減少其對(duì)波導(dǎo)中場(chǎng)分布的影響。

通過(guò)使通孔將介質(zhì)板的接地平面和兩側(cè)的波導(dǎo)面可以有效抑制能量泄漏，同時(shí)為了減少波導(dǎo)開(kāi)口窗口的能量泄漏，開(kāi)口的寬度應(yīng)小于截止工作波長(zhǎng)。同時(shí)在探針末端使用了一個(gè)徑向短截線進(jìn)行阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)以實(shí)現(xiàn)寬帶性能。

金屬探頭上的電流耦合到矩形波導(dǎo)的 TE10 主模磁場(chǎng)，如下圖所示。介質(zhì)板上的通孔減少了將能量限制在指定區(qū)域，以減小介質(zhì)損耗。通過(guò)控制探頭的長(zhǎng)度和背短波導(dǎo)的距離來(lái)實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

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

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

在雷達(dá)和衛(wèi)星通信的毫米波系統(tǒng)中，功率放大器（PA）是常見(jiàn)的大功率器件。例如在60G毫米波頻段通信系統(tǒng)中，由于大氣層對(duì)該頻率的衰減非常大，為保證傳輸距離，需要提升系統(tǒng)發(fā)射功率（幾瓦）。單個(gè)固態(tài)功率放大器 (SSPA) 無(wú)法滿足此要求，轉(zhuǎn)而使用高功率波導(dǎo)功率分配器/合路器，可以將一個(gè)公共輸入端口的信號(hào)分配到N個(gè)輸出波導(dǎo)腔。對(duì)稱(chēng)超大同軸波導(dǎo)功率合成器利用平面微帶探頭將 TE10 模式轉(zhuǎn)換為準(zhǔn) TEM 模式。這種過(guò)渡網(wǎng)絡(luò)具有高效的寬帶性能，已在許多毫米波系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

下圖是回波損耗和[敏感詞]損耗圖?；夭〒p耗 (S11) 在頻帶62GHz至87 GHz上優(yōu)于-10dB，提供寬帶（35% 帶寬）性能。外圍端口之間的隔離優(yōu)于12dB。這種徑向功率合分器具有易于設(shè)計(jì)和制造、與毫米波集成電路完美兼容、低[敏感詞]損耗和高功率合路效率等優(yōu)點(diǎn)。

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

在這種轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)中，微帶線中的場(chǎng)傳播方向與波導(dǎo)相同。使用階梯脊形波導(dǎo)的寬帶阻抗變換器可以將TE10 矩形波導(dǎo)模式通過(guò)耦合轉(zhuǎn)換到平面微帶中的準(zhǔn)TEM模式。脊波導(dǎo)具有較小的等效阻抗，更容易與同軸和微帶線匹配。波導(dǎo)到微帶線的過(guò)渡是使用階梯結(jié)構(gòu)，如圖所示。通過(guò)階梯脊波導(dǎo)實(shí)現(xiàn)和微帶傳輸線的阻抗匹配。探頭位于平行于波導(dǎo)寬邊的平面上，并從波導(dǎo)的背面[敏感詞]，使兩個(gè)器件的 E 平面平行。微帶線沿寬邊居中。

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

設(shè)計(jì)4中討論的階梯式脊形探頭加工困難，而且尺寸對(duì)結(jié)構(gòu)很敏感。可以使用如下圖所示的平滑結(jié)構(gòu)過(guò)渡代替階梯結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)波導(dǎo)阻抗與微帶線阻抗相匹配。這樣可以使矩形波導(dǎo)TE10模式逐漸轉(zhuǎn)換為微帶結(jié)構(gòu)中的準(zhǔn)TEM 微帶模式。

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

下圖為波導(dǎo)到 50 歐姆同軸線的轉(zhuǎn)換器。波導(dǎo)到微帶線（通過(guò) SMA 連接器線輸出端口）的轉(zhuǎn)換是使用階梯狀轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，如圖所示。同軸線內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)過(guò)波導(dǎo)內(nèi)部，調(diào)節(jié)深度實(shí)現(xiàn)兩者阻抗匹配。

波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)有兩個(gè)關(guān)鍵因素；第一個(gè)是輸入輸出的模式轉(zhuǎn)換，即波導(dǎo)的TE10模式轉(zhuǎn)換為同軸線的TEM準(zhǔn)模式，第二是阻抗匹配。矩形波導(dǎo)的特性阻抗是頻率的函數(shù)。因此，為了在所需頻率范圍內(nèi)將矩形波導(dǎo)阻抗與 50Ω同軸線阻抗相匹配，需要一個(gè)多級(jí)匹配電路。仿真結(jié)果如下：

另外在一些應(yīng)用中，微帶天線被放置在設(shè)計(jì)的頂面，并由一個(gè)在線波導(dǎo)饋電，如下圖所示。這種設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)之一是它可以很容易地與天線的微帶饋線集成，也可以直接連接到貼片天線。

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

在波導(dǎo)轉(zhuǎn)同軸E平面轉(zhuǎn)換器中，探頭的中心導(dǎo)體（同軸線）垂直[敏感詞]波導(dǎo)中。這會(huì)激發(fā)波導(dǎo)中的TE10模式。探頭的放置方式應(yīng)使反射的電磁場(chǎng)與入射的電磁場(chǎng)同相組合。短路壁與探頭中心之間的距離經(jīng)過(guò)優(yōu)化，可實(shí)現(xiàn)良好的阻抗匹配，通常為λg/4。在不額外使用匹配元器件的前提下，E平面探頭提供窄帶性能，若想增加帶寬，則需要額外使用匹配元器件。同軸線和探頭垂直于微帶線和波導(dǎo)。探頭[敏感詞]波導(dǎo)寬邊中心的波導(dǎo)。S11 結(jié)果如圖所示，通帶內(nèi)優(yōu)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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