SMP射頻同軸匹配負(fù)載的設(shè)計(jì)與研究

劉長(zhǎng)春+秦雪雪

摘要：文章介紹了一種SMP射頻同軸匹配負(fù)載的設(shè)計(jì)，詳細(xì)介紹了負(fù)載的設(shè)計(jì)原理及實(shí)現(xiàn)方法。

關(guān)鍵詞：負(fù)載；柱狀無(wú)感高頻電阻；電壓駐波比；仿真

射頻同軸匹配負(fù)載是微波無(wú)源單端口器件，在無(wú)線電設(shè)備、電子儀器以及各種微波裝備中應(yīng)用廣泛，通常作為整機(jī)或系統(tǒng)的輸出端口，用來(lái)承受功率和實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。射頻同軸匹配負(fù)載的工作原理為：使用電阻吸收傳輸通道的微波能量，將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能。使用負(fù)載連接在空置的測(cè)試端口，既保證了信號(hào)的阻抗匹配，又大大減少了空置端口信號(hào)泄漏、系統(tǒng)間的相互干擾，是射頻傳輸系統(tǒng)的重要組成部分之一。

1 射頻同軸匹配負(fù)載設(shè)計(jì)原理

1.1同軸傳輸線原理

SMP射頻同軸匹配負(fù)載的連接器部分，設(shè)計(jì)依據(jù)與射頻同軸連接器一樣，都是同軸傳輸線的基本理論。在理想導(dǎo)體條件下均勻同軸傳輸線的特性阻抗為：

式中，A為同軸傳輸線特性阻抗；

為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑；

為同軸線內(nèi)導(dǎo)體外徑；

為介質(zhì)撐介電常數(shù)。

1.2 介質(zhì)撐補(bǔ)償原理

介質(zhì)撐的主要作用是對(duì)內(nèi)導(dǎo)體提供物理支撐，同時(shí)也保證內(nèi)、外導(dǎo)體之間的同軸度。但是引入介質(zhì)撐后，外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體與同軸傳輸線之間產(chǎn)生階梯，必然會(huì)引入不連續(xù)電容。

為盡量減小頻帶內(nèi)的反射，需要對(duì)不連續(xù)電容進(jìn)行補(bǔ)償。同軸傳輸線的不連續(xù)性補(bǔ)償結(jié)構(gòu)可以等效為一段高阻傳輸線，補(bǔ)償效果取決于高阻傳輸線的特性阻抗Z和傳輸線長(zhǎng)度&其等效電路模型如圖1所示，圖中C為不連續(xù)電容。

1.3 柱狀電阻阻抗匹配原理

使用柱狀無(wú)感高頻電阻作為內(nèi)導(dǎo)體進(jìn)行阻抗匹配，此部分的設(shè)計(jì)理論與同軸線傳輸原理類似。假設(shè)柱狀電阻的直徑為2A，長(zhǎng)度為L(zhǎng)，阻值及等于均勻同軸線的特性阻抗&，并且在柱狀電阻長(zhǎng)度方向任一位置Z的特性阻抗Zx等于ZpjO點(diǎn)的電阻值則柱狀電阻部分阻抗匹配，電磁波沒(méi)有反射全部被吸收。

設(shè)X處外導(dǎo)體的半徑為，并且滿足同軸傳輸線的特性阻抗公式，則可以計(jì)算出外導(dǎo)體內(nèi)徑，如下所示：

從以上公式可以看出，與柱狀電阻匹配的外導(dǎo)體理想形狀為異物線，如圖2所示。

2負(fù)載仿真設(shè)計(jì)

2.1介質(zhì)撐仿真

介質(zhì)撐采用抗環(huán)境特性好、介電常數(shù)小的聚四氟乙烯材料。為了方便介質(zhì)支撐的固定，選擇外導(dǎo)體突變的介質(zhì)撐結(jié)構(gòu)方案；同時(shí)采用臺(tái)階結(jié)構(gòu)對(duì)引入介質(zhì)撐帶來(lái)的不連續(xù)性進(jìn)行補(bǔ)償。

使用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對(duì)介質(zhì)撐進(jìn)行建模并仿真，最終結(jié)果如圖3所示?？梢钥闯鲈贒C?26.5GHz頻率范圍內(nèi)回波損耗小于-30dB。

2.2 柱狀電阻段仿真

由于異物線不易加工，將柱狀電阻部分的外導(dǎo)體內(nèi)腔近似為錐形結(jié)構(gòu)。使用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對(duì)柱狀電阻段進(jìn)行建模，將柱狀電阻材料設(shè)置為氧化鋁，并且設(shè)置好方阻值，通過(guò)調(diào)節(jié)錐形結(jié)構(gòu)的各部位尺寸和臺(tái)階長(zhǎng)度，優(yōu)化柱狀電阻段的性能指標(biāo)。仿真結(jié)果如圖4所示，可以看出，在DC?26.5GHz頻率范圍內(nèi)回波損耗小于-30dB零件組成。

為便于互換，滿足用戶的使用習(xí)慣，負(fù)載采用標(biāo)準(zhǔn)SMP陰頭連接器的接口。介質(zhì)支撐材料選用聚四氟乙烯；負(fù)載的內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)介質(zhì)撐，裝入到外導(dǎo)體中，保證內(nèi)、外導(dǎo)體的同軸度及端口尺寸。柱狀電阻一端伸入內(nèi)導(dǎo)體尾部的孔中，另一端采用緊定螺釘固定；內(nèi)導(dǎo)體和端蓋之間采用螺紋連接。

3.2 彈性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在SMP同軸負(fù)載的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中，彈性結(jié)構(gòu)是關(guān)鍵。鈹青銅在固溶時(shí)效處理后，具有很高的強(qiáng)度、硬度、彈性極限和疲勞極限，彈性滯后小，而且具有耐磨、耐低溫、無(wú)磁性等特點(diǎn)，因此，SMP同軸負(fù)載內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體都使用鈹青銅加工制造。SMP同軸負(fù)載采用內(nèi)導(dǎo)體開(kāi)兩個(gè)槽、外導(dǎo)體開(kāi)4個(gè)槽的方案，易于加工。

4 實(shí)際測(cè)試結(jié)果

采用中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所生產(chǎn)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀AV3672E進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果如圖5所示。從圖中可以看出，在100MHz?26.5GHz頻率范圍內(nèi)，負(fù)載的最大駐波比為1.18。

2.3 負(fù)載整體微波性能設(shè)計(jì)

介質(zhì)撐和柱狀電阻段仿真完成之后，使用HFSS軟件建立負(fù)載的整體仿真模型并進(jìn)行仿真優(yōu)化。仿真結(jié)果可以看出，負(fù)載的駐波比小于1.07，設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)良。

3 負(fù)載結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

負(fù)載主要由內(nèi)導(dǎo)體、外導(dǎo)體、介質(zhì)撐、柱狀電阻、端蓋等

5 結(jié)語(yǔ)

本文基于同軸線理論，采用柱狀無(wú)感高頻電阻設(shè)計(jì)了一種SMP射頻同軸匹配負(fù)載，所設(shè)計(jì)負(fù)載的射頻性能能夠滿足生產(chǎn)調(diào)試過(guò)程的使用要求，采用柱狀無(wú)感高頻電阻，可以大大地降低負(fù)載成本。

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