许文涛;朱玮玮;林峻;王剑莹;张涵
【摘 要】提出了一种新型的微带-波导转换器,利用锥形天线实现其传输的超宽带和端射特性.将单片微波集成电路(M MIC)兼容的天线插入到矩形波导的E平面中,可以实现TE10主导模式传输.采用这种新的天线耦合方式,可以实现紧凑的结构设计和低成本的制造,而不需要多层衬底或侧壁开槽的波导结构.研究表明:在机械对准情况下,设计的超宽带(Ultra-Wide-Band)天线耦合的微带转波导连接器在6～50 GHz频带内,回波损耗优于-10 dB,电压驻波比(VSWR)小于1.22. 【期刊名称】《华南师范大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2019(051)001
【总页数】4页(P1-4)
【关键词】微带转波导;超宽带;锥形天线;单片微波集成电路
【作 者】许文涛;朱玮玮;林峻;王剑莹;张涵
【作者单位】广东省心脑血管个体化医疗大数据工程技术研究中心∥华南师范大学物理与电信工程学院,广州510006;广东省电子职业技术学校,广州510515;广东省心脑血管个体化医疗大数据工程技术研究中心∥华南师范大学物理与电信工程学院,广州510006;广东省心脑血管个体化医疗大数据工程技术研究中心∥华南师范大学物理与电信工程学院,广州510006;广东省心脑血管个体化医疗大数据工程技术研究中心∥华南师范大学物理与电信工程学院,广州510006
【正文语种】中 文
热电堆【中图分类】TN929.5
随着现代通信技术的不断发展，射频微波技术在现代科技领域(尤其在无线通信领域)的应用广泛[1-6]. 由于通信和传输信号频率的增大，传统的集总参数电路已经无法满足微波电路的要求，因此微波技术设计者使用传输线来代替传统导线. 传输线中使用最多、范围最广的是波导传输线和微带传输线[7-8]. 由于金属波导传输系统及其原件构成的微波电路系统具有
功率容量大、损耗小的优点，金属波导仍然是许多微波和毫米波应用系统的重要组成部分. 但是缺点是体积大、笨重、频带窄和不可集成. 电路结构小型化、集成化的微波平面传输线构成的微波集成电路越来越受到业界的欢迎[3-4]. 为了获得波导传输线及微带传输线两者优势，需要一种连接器来实现传输线之间的转换，使得二者能够有机地结合在一起并获得最优效果.
关于微带-波导转换技术和方案的研究广泛[9-16]. 微带-波导转换装置目前的设计方法主要分为：探针插入波导在波导宽壁上的窗口耦合[9-10]和使用准八木天线作为微带和波导之间的换能器[11-12]. 其中，文献[10]使用探针插入波导到波导宽壁的窗口中，来耦合从微带到波导的电磁场线. 采用金属探针为扇形探头实现探头阻抗的宽带匹配. 由于微带线和波导为垂直结构，且需要在金属波导上开口，加大了其制造难度. 文献[11]使用一种类似八木天线的无巴伦单极子天线加载到微带和金属波导之间，实现耦合. 这种使用单极子天线的方法能够一定程度上拓宽传输频率的带宽，并且其电路结构较简单，但是还是无法摆脱八木天线带宽较窄的缺陷，无法满足超宽带的需求.
本文设计了微带转波导结构，其原理与文献[10]和文献[11]相似，使用天线作为微带和波导之间的耦合结构. 创新性地使用锥形超宽带的天线[13-16]代替八木天线作为耦合结构.
1 实验方法
校正曲线本文设计的微带转波导结构示意图如图1所示，其中锥形天线作为耦合结构插入矩形金属波导内，输入微带线位于2个相同介质板中间，介质基板板厚1 mm，介质基板为Rogers RT/duroid 3003. 这样的结构使得转接器在6～50 GHz频带内，回波损耗优于-10 dB，电压驻波比(VSWR)小于1.22.
图1 微带转波导连接器的结构示意图
Figure 1 The overall schema of the proposed microstrip-to-waveguide transition using a tramped antenna
1.1 外部结构设计
微带转波导结构的侧界面结构(图2)包括上层锥形辐射振子辐射结构、厚度为h的上层介质基板一、下层微带馈电网络结构[17]. 天线的输入端口由上层介质板一、中间金属导带均匀传输线、下层介质板二以及接地金属块构成. 其中上层介质板距离底部高度为H,接地金属块的宽度与金属波导口径宽度一致，且其底部与金属波导内壁短接，顶部与下层介质板相连.
图2 微带转波导结构的侧界面结构Figure 2 The longitudinal section of the proposed transition
1.2 锥形天线设计
图3A为锥形天线的顶层示意图. 它由2个锥形辐射振子、矩形槽和正方形巴伦构成. 基底的长宽高为L(mm)×W(mm)×W(mm)，介质基板板材为罗杰斯RO3003，介电常数为3. 矩形插槽的宽边开口端为W1，槽的窄边宽度是Sg. 正方形槽(边长为d)为天线的巴伦，用于天线的馈电，实现微带到槽线的转换. 图3B为下层馈电结构示意图. 其中3条宽度均为W2，长度分别为L1、L2和d的微带传输线围成一个面积等于d2的正方形镂空区域，并且这个区域正对顶层巴伦.
图3 锥形天线的顶层辐射结构及下层馈电结构
Figure 3 The top schematic view and the lower feed structure of the proposed antenna
由于VSWR可精准描述从天线反射的功率，因此本文采用VSWR来描述连接器的传输性能. 当VSWR越小，传送到天线的功率越大，天线与传输线匹配得更好. 在理想情况下，当VS
WR=1，此时天线无反射功率. VSWR公式如下：
(1)
2 结果与分析
2.1 仿真结果
本文使用Anasoft Hfss软件分析设计的模型，得到传输模型的回波损耗S11参数(图4). HFSS(High Frequency Structure Simulator)是一款基于成熟的有限元法、完善的积分方程法对电路进行电磁计算. 设置求解频率为20 GHz,扫描方式为Fast，收敛值为0.02.
图4 微带转波导连接器的仿真S11参数Figure 4 Simulated S11 of the transition
图4中给出转接器在6～50 GHz频带内，大部分的回波损耗优于-10 dB. 在20 GHz频率点时，传输信号的回波损耗为-5 dB,从而无法实现在6～50 GHz带宽内回波损耗均小于-10 dB的技术指标. 设计目标旨在实现通带(带宽)较宽且通带内存在平坦、较低的回波损耗. 接下来，通过优化天线的结构实现20 GHz频率点的回波损耗从-5 dB降到-10 dB以下.
2.2 改进与优化
计算巴伦横截面积d2是优化阻抗匹配和尽量减少反射的有效方式，对槽线的宽度Sg和正方形巴伦边长d进行仿真参数的优化，得到微带转波导连接器的仿真S11参数(图5).
通过对回波损耗的分析，可以得到该连接器在6～50 GHz带宽内的回波损耗优化. 特别地，相较原尺寸微带转波导结构的回波损耗(图4)，优化后通带在20 GHz频点处，回波损耗降至-10 dB以下，实现了6～50 GHz带宽内的回波损耗均低于-10 dB的设计要求. 将回波损耗参数带入式(1)得：
捕虾机电路图(2)
其中，VSWR在6～50 GHz范围求得，优化后的模型的尺寸参数见表1.
图5 优化后微带转波导连接器的仿真S11参数Figure 5 Simulated and optimized S11 of the transition表1 优化前后天线的尺寸参数Table 1 Optimized dimension values of the transition mm
pigi天线参数优化前优化后W4040H1111L7070h11W13030d45Sg10.8L155L27.57.5L355
塑料拖把头
作为转接器耦合结构的锥形天线，其增益方向如图6所示，近似端射的散射效果证实了连接器的回波损耗在宽带内较低的特性.
图6 微带转波导中耦合天线的增益方向
铝合金框架Figure 6 The gain radiation pattern of coupled antenna in the proposed transition
3 结论
使用新型超宽带锥形天线实现了微带到波导的转换. 提出了上层锥形辐射振子、介质基板、接地金属块、波导腔的组合结构. 创造性地利用超宽带天线作为微带和金属波导之间的耦合结构，实现了微带到波导宽频率的转换. 详细研究了转换器的结构和仿真效果，实验结果表明：适当调整开槽宽度和馈电巴伦的尺寸，可以实现6～50 GHz带宽内(20 GHz除外)的回波损耗均低于-10 dB的微带信号到波导的转换，去除了20 GHz频率点处较大的反射，VSWR低于1.22.
参考文献：
【相关文献】
[1] LI J,ZHANG H,LI D,et al. On the performance of wireless-energy-transfer-enabled massive MIMO systems with superimposed pilot-aided channel estimation[J]. IEEE Access,2015,3:2014-2027.
[2] 张涵,郭昌霖,李家明,等. 基于混合导频辅助的大规模MIMO上行链路信道估计[J]. 华南师范大学学报(自然科学版),2016,48(6):57-62.
ZHANG H,GUO C L,LI J M,et al.Hybrid pilot-aided channel estimation in massive MIMO uplink[J]. Journal of South China Normal University(Natural Science Edition),2016,48(6):57-62.
[3] 李广,邓键. 基于光子射频波高次倍频的深度融合通信研究[J]. 华南师范大学学报(自然科学版),2018,50(3):14-18.
LI G,DENG J. Research on deeply converged communication system based on photonic-RF wave via high order frequency-beating[J]. Journal of South China Normal University(Natural Science Edition),2018,50(3):14-18.
[4] ZHANG H,GAO S,LI D,et al. On superimposed pilot for channel estimation in multicell multiuser MIMO uplink:large system analysis[J]. IEEE Transactions on Vehicular Technology,2016,65(3):1492-1505.
