雷达天线中的能量转换问题（二）

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

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

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。

设计注意事项：

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。

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。

设计步骤：

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：

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