PJ7-Ⅱ型無支撐微波同軸匹配負載探索與研發(fā)

茹世祥，王召穩(wěn)

（1.山西省新技術(shù)推廣中心，山西太原030002;2.山西杏花村汾酒廠股份有限公司，山西汾陽， 032205）

1 技術(shù)領(lǐng)域

本技術(shù)屬微波測量技術(shù)領(lǐng)域，具體應(yīng)用在PJ7微波同軸測試系統(tǒng)校準過程中，替代PJ7微波標準同軸匹配負載，其適應(yīng)頻率范圍0～18 GHZ。

2 背景技術(shù)

作為系統(tǒng)校準用的匹配負載承受功率較小，一般小于0.2 W，其主要電氣指標就是駐波比在整個工作頻率范圍內(nèi)平坦分布且愈接近于1愈好。

2.1 傳統(tǒng)小功率匹配負載的結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)小功率匹配負載是兩端口器件，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1所示，其結(jié)構(gòu)包括:帶有PJ7標準同軸接頭的外導(dǎo)體（1）、銅螺釘（2）、調(diào)配螺釘（3）、絕緣子（4）、銅螺母（5）、帶有指數(shù)曲線的外導(dǎo)體（6）、超高頻電阻（7）、彈性接頭（8）、鎖緊螺母（9），共九個零部件。

2.2 匹配負載用于校準測試系統(tǒng)

用匹配負載去校準測試系統(tǒng)是比較準確的，且實用直觀方便，故在同軸微波測試系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

2.3 傳統(tǒng)匹配負載結(jié)構(gòu)的缺陷［3］

傳統(tǒng)匹配負載的結(jié)構(gòu)存在一些缺陷，主要集中在內(nèi)外導(dǎo)體之間的不連續(xù)性:因PJ7同軸系統(tǒng)內(nèi)外導(dǎo)體尺寸較小，外導(dǎo)體內(nèi)徑為Φ7，內(nèi)導(dǎo)體外徑為Φ3.04，若內(nèi)外導(dǎo)體不同心，即造成阻抗的偏差，引起駐波系數(shù)的增加;由于內(nèi)外導(dǎo)體的絕緣支撐，使內(nèi)外導(dǎo)體均有切槽補償，即造成阻抗的不連續(xù)，使駐波系數(shù)進一步增大，不連續(xù)同時也帶來了頻率特性的惡化，致使某個頻段駐波系數(shù)減小，另一個頻段駐波系數(shù)顯著增大，駐波系數(shù)的不均勻?qū)鲗?dǎo)是很不利的;由于內(nèi)導(dǎo)體接頭必須夾在超高頻電阻的前端，勢必使內(nèi)導(dǎo)體外徑加大，與此相應(yīng)的外導(dǎo)體又要有切槽補償，這又造成內(nèi)外導(dǎo)體突變，因為有突變存在，就會改變頻率特性，使某些頻率點上駐波系數(shù)變大;內(nèi)外導(dǎo)體之間加上微調(diào)螺釘，相當(dāng)于內(nèi)外導(dǎo)體之間人為地引入微小的突變，這種突變是有頻率特性的，也能引起某段頻上駐波系數(shù)增大;指數(shù)曲線與外導(dǎo)體分離，又帶來裝配的不同心度誤差，這也增加了駐波系數(shù)的幅度。

圖1 傳統(tǒng)PJ7微波標準同軸匹配負載示意圖

3 研發(fā)內(nèi)容

針對上述駐波系數(shù)惡化的主要因素，在做了大量的探索試制后進行了實驗工作，最終研制出一種無絕緣支撐的匹配負載。其結(jié)構(gòu)如附圖2所示。

3.1 結(jié)構(gòu)調(diào)整

首先去掉支撐內(nèi)外導(dǎo)體的前端絕緣子，外導(dǎo)體的內(nèi)徑和內(nèi)導(dǎo)體的外徑就不需要加切槽補償了，即完全消除了因絕緣支撐引起的不連續(xù)性;其次PJ7平面接頭的內(nèi)導(dǎo)體直接用超高頻電阻前端的銀電極替代，這就完全消除了內(nèi)導(dǎo)體與超高頻電阻夾接的不連續(xù)，有利于全頻段的駐波性能;再之將指數(shù)曲線段外導(dǎo)體與接頭外導(dǎo)體設(shè)計成一體，這就消除了外導(dǎo)體加工裝配的不同心度誤差，使內(nèi)外導(dǎo)體處于連續(xù)變化狀態(tài)下，進一步降低了駐波系數(shù)的幅度。

3.2 精度保證

彈性夾頭夾住超高頻電阻后端的銀電極，作為一個組件裝入外導(dǎo)體后部，并用鎖緊螺母固定在外導(dǎo)體上，使外導(dǎo)體和超高頻電阻形成牢固的一體，其同心度，超高頻電阻吸收段與指數(shù)曲線段的相對位置和超高頻電阻前端銀電極與外導(dǎo)體的相對位置是靠零件加工精度保證的;由于指數(shù)曲線外導(dǎo)體的銅材和內(nèi)導(dǎo)體的三氧化二鋁陶瓷材料熱膨脹系數(shù)的差異，致使溫度的變化會影響內(nèi)外導(dǎo)體的相對位置，整個裝配過程應(yīng)在匹配負載工作溫度范圍內(nèi)的最低溫度下進行，確保PJ7接頭的內(nèi)導(dǎo)體不長于外導(dǎo)體。在裝配過程中應(yīng)使用裝夾具來確保裝配的精度。

3.3 關(guān)鍵元件

開發(fā)本新型元件技術(shù)方案中最關(guān)鍵的零件就是超高頻電阻的制作，隨著技術(shù)的進步，真空濺射和數(shù)控加工工藝的日臻成熟，按圖紙加工超高頻電阻是可行的，確保其電阻精度、溫度特性，頻率特性和銀電極的長度及牢固性。采取上述措施后，使匹配負載的長度減小了，僅有20 mm長。

3.4 標準負載的連接

當(dāng)精密PJ7平面接頭對接時，其中一個接頭使用外導(dǎo)體定位段，而另一個接頭使用連接螺母，同時可互換使用，但在本新型技術(shù)方案中為了減少零件數(shù)目和縮短整體長度，對接時只使用匹配負載的外導(dǎo)體定位段和對接件的連接螺母。

4 具體實施方式

該種新型元件PJ7-Ⅱ型無支撐微波同軸匹配負載（見圖2），其前端無絕緣子支撐，結(jié)構(gòu)由外導(dǎo)體（1）、超高頻電阻（2）、彈性夾頭（3）和鎖緊螺母（4）組成。先將超高頻電阻（2）按圖裝入彈性夾頭（3）中，然后將這個組件借助于夾具裝入外導(dǎo)體（1）中，最后用鎖緊螺母（4）固定，使超高頻電阻（2）和夾頭（3）與外導(dǎo)體（1）固定成一整體，其同心度及內(nèi)外導(dǎo)體相對位置是靠零件加工精度和裝配夾具來保證。這就在0～18 GHZ頻率范圍內(nèi)明顯提高了同軸匹配負載的駐波性能?，F(xiàn)代真空濺射和數(shù)控加工工藝的日臻成熟，可以準確制造50 Ω超高頻標準電阻，其均勻度和溫度系數(shù)指標均可達到設(shè)計要求，使該匹配負載工作溫度范圍很寬，本新型結(jié)構(gòu)緊湊而簡潔，能方便接到PJ7微波同軸測試系統(tǒng)上，可作為計量測試系統(tǒng)的標準匹配負載使用。

圖2 PJ7-Ⅱ型無支撐微波同軸匹配負載示意圖

5 實驗結(jié)果

下表充分說明PJ7-Ⅱ型無支撐微波同軸匹配負載具有良好的駐波性能，實驗中使用HP公司和GR公司的精密測量線，具體數(shù)據(jù)對比如下:

性能類型頻率（GHZ）電壓駐波比（VSWR）PJ7-Ⅱ型無支撐微波同軸匹配負載（0.5W）傳統(tǒng)匹配負載（0.5W）1# 2# 3# 合格范圍 4#合格范圍1 1.02 1.02 1.02 1.01 2 1.02 1.01 10.3 1.01 3 1.02 1.01 1.03 1.03 4 1.03 1.02 1.04 1.02 5 1.02 1.03 1.03 1.03 6 1.03 1.04 1.03 1.03 7 1.04 1.04 1.03 1.04 8 1.04 1.05 1.06 1.05 9 1.04 1.04 1.06 1.05 10 1.03 1.03 1.05 1.05 1.03 1.08 11 1.03 1.03 1.05 1.02 12 1.03 1.03 1.04 1.05 13 1.04 1.04 1.04 1.05 14 1.04 1.03 1.05 1.06 15 1.05 1.04 1.05 1.07 16 1.04 1.04 1.06 1.07 17 1.04 1.05 1.06 1.06 18 1.05 1.05 1.06 1.06

從實測數(shù)據(jù)表中不難看出傳統(tǒng)帶有微調(diào)螺釘?shù)钠ヅ湄撦d在各個頻率點上的駐波系數(shù)均在給定技術(shù)合格范圍之內(nèi)，同時也驗證了所使用精密PJ7測量線的頻率特性是良好的，所測試的PJ7-Ⅱ型無支撐微波同軸匹配負載1#和2#的電壓駐波比均在給定技術(shù)合格范圍內(nèi)，但3#超出了給定的駐波比合格范圍，更換了3#的個別零件，進行重裝，其電壓駐波比也在合格的范圍內(nèi)。

6 結(jié)束語

PJ7-Ⅱ型無支撐微波同軸匹配負載通過對現(xiàn)有技術(shù)方案的重新設(shè)計，較大地提高了電壓駐波比的性能，由于刪去了前端支撐絕緣子，指數(shù)曲線段直接做在外導(dǎo)體上及將內(nèi)導(dǎo)體與超高頻電阻制成一體，進一步減小了匹配負載內(nèi)外導(dǎo)體不連續(xù)性，同時也明顯地縮短了長度尺寸，使電壓駐波比在全頻段內(nèi)小于1.05，完全符合微波測量系統(tǒng)的標準，若加工精度再進行提高，有望達到全頻段內(nèi)電壓駐波比小于1.02，性能得到極大提高。