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

E面探針耦合方式使用頻率非常高。在此轉換中，微帶線通過矩形波導的E平面中的孔[敏感詞]，將波導的TE10模式耦合到微帶線實現電磁能量的準TEM模式。在E平面探頭轉換網絡中，輸入端口垂直于輸出端口，所以在有限空間內實現能量輻射比較困難，有時候需要將波導彎曲才能減小能量損失。

轉換器包括一個位于電介質基板一側的印刷探針，通常是簡單形式的天線，將微帶天線或者探針[敏感詞]矩形波導中，背面短路。這種類型的轉換對電介質基板和微帶線相對于波導的位置非常敏感。且介質板厚度和探頭的通道寬度和高度非常小，以便所有波導模式都處于截止狀態，只有微帶準TEM模式可以在工作頻帶內傳播。

[敏感詞]是基于E平面探頭的波導到微帶線轉換的設計，設計用于汽車雷達應用的毫米波 (65-85 GHz)。微帶線一端的耦合探頭通過波導寬壁中的孔引入垂直波導。探頭設計為矩形貼片。波導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。基板厚度設定為0.79mm。微帶線特性阻抗為50Ω。探頭中心和波導反向短路之間的距離是工作頻率為75GHz時，WR12 波導波長的四分之一。優化孔徑尺寸以有效引導能量耦合到微帶線，并最大限度地減少其對波導中場分布的影響。

通過使通孔將介質板的接地平面和兩側的波導面可以有效抑制能量泄漏，同時為了減少波導開口窗口的能量泄漏，開口的寬度應小于截止工作波長。同時在探針末端使用了一個徑向短截線進行阻抗匹配網絡的調節以實現寬帶性能。

金屬探頭上的電流耦合到矩形波導的 TE10 主模磁場，如下圖所示。介質板上的通孔減少了將能量限制在指定區域，以減小介質損耗。通過控制探頭的長度和背短波導的距離來實現阻抗匹配。

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

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

在雷達和衛星通信的毫米波系統中，功率放大器（PA）是常見的大功率器件。例如在60G毫米波頻段通信系統中，由于大氣層對該頻率的衰減非常大，為保證傳輸距離，需要提升系統發射功率（幾瓦）。單個固態功率放大器 (SSPA) 無法滿足此要求，轉而使用高功率波導功率分配器/合路器，可以將一個公共輸入端口的信號分配到N個輸出波導腔。對稱超大同軸波導功率合成器利用平面微帶探頭將 TE10 模式轉換為準 TEM 模式。這種過渡網絡具有高效的寬帶性能，已在許多毫米波系統中得到廣泛應用。

下圖是回波損耗和[敏感詞]損耗圖。回波損耗 (S11) 在頻帶62GHz至87 GHz上優于-10dB，提供寬帶（35% 帶寬）性能。外圍端口之間的隔離優于12dB。這種徑向功率合分器具有易于設計和制造、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點。

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

在這種轉換結構中，微帶線中的場傳播方向與波導相同。使用階梯脊形波導的寬帶阻抗變換器可以將TE10 矩形波導模式通過耦合轉換到平面微帶中的準TEM模式。脊波導具有較小的等效阻抗，更容易與同軸和微帶線匹配。波導到微帶線的過渡是使用階梯結構，如圖所示。通過階梯脊波導實現和微帶傳輸線的阻抗匹配。探頭位于平行于波導寬邊的平面上，并從波導的背面[敏感詞]，使兩個器件的 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

設計4中討論的階梯式脊形探頭加工困難，而且尺寸對結構很敏感。可以使用如下圖所示的平滑結構過渡代替階梯結構，實現波導阻抗與微帶線阻抗相匹配。這樣可以使矩形波導TE10模式逐漸轉換為微帶結構中的準TEM 微帶模式。

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

下圖為波導到 50 歐姆同軸線的轉換器。波導到微帶線（通過 SMA 連接器線輸出端口）的轉換是使用階梯狀轉換器設計，如圖所示。同軸線內導體穿過過波導內部，調節深度實現兩者阻抗匹配。

波導轉同軸轉換器的設計有兩個關鍵因素；第一個是輸入輸出的模式轉換，即波導的TE10模式轉換為同軸線的TEM準模式，第二是阻抗匹配。矩形波導的特性阻抗是頻率的函數。因此，為了在所需頻率范圍內將矩形波導阻抗與 50Ω同軸線阻抗相匹配，需要一個多級匹配電路。仿真結果如下：

另外在一些應用中，微帶天線被放置在設計的頂面，并由一個在線波導饋電，如下圖所示。這種設計的優點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

在波導轉同軸E平面轉換器中，探頭的中心導體（同軸線）垂直[敏感詞]波導中。這會激發波導中的TE10模式。探頭的放置方式應使反射的電磁場與入射的電磁場同相組合。短路壁與探頭中心之間的距離經過優化，可實現良好的阻抗匹配，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。探頭[敏感詞]波導寬邊中心的波導。S11 結果如圖所示，通帶內優于-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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