同軸微帶轉(zhuǎn)接模型的電磁特征提取 及傳輸特性優(yōu)化

孫 遜，解效白，沈洪飛，吳元清

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

同軸微帶轉(zhuǎn)接模型的電磁特征提取 及傳輸特性優(yōu)化

孫 遜，解效白，沈洪飛，吳元清

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二四研究所，南京 211153)

采用全波仿真軟件CST提取了高頻同軸微帶轉(zhuǎn)接模型的電磁參數(shù)。通過引入空氣同軸與線性微帶漸變線兩種補(bǔ)償措施，在5～20 GHz以內(nèi)改善了轉(zhuǎn)接模型的傳輸特性。測試結(jié)果表明，優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接模型的傳輸特性得到了改善。

同軸微帶轉(zhuǎn)接；傳輸特性；優(yōu)化

Keywords: coaxial-to-microstrip transition; transmission characteristic; optimization

0 引 言

同軸轉(zhuǎn)微帶是射頻連接模型中最常見的連接方式。同軸線通過內(nèi)導(dǎo)體針與微帶上表面銅箔連接，外導(dǎo)體與微帶線的地連接。將同軸線傳輸?shù)腡EM模式過渡到微帶線傳輸?shù)臏?zhǔn)TEM模式。過渡處通常用焊錫連接。這會(huì)不可避免地引入阻抗不連續(xù)性。隨著頻率的不斷提高，這一不連續(xù)性對電磁性能的影響越來越顯著，例如導(dǎo)致較大的插入損耗與電壓駐波比等。在接收機(jī)低噪放前端降低轉(zhuǎn)接處的插入損耗和電壓駐波比可以顯著提高系統(tǒng)的接收靈敏度，改善接收機(jī)與天線單元或饋源的匹配性能。因此，設(shè)計(jì)具有良好傳輸特性的同軸轉(zhuǎn)微帶過渡結(jié)構(gòu)具有重要意義。本文利用CST軟件仿真分析同軸微帶轉(zhuǎn)接模型的電磁特征，并結(jié)合仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了一種有效的補(bǔ)償措施。

1 基本理論

1.1 同軸線

同軸線是由兩個(gè)圓柱導(dǎo)體構(gòu)成的導(dǎo)行系統(tǒng)，內(nèi)導(dǎo)體半徑a，外導(dǎo)體半徑b，兩個(gè)圓柱導(dǎo)體之間填充相對介電常數(shù)為εr的介質(zhì)，其特征阻抗可以表達(dá)為[1]

(1)

1.2 微帶線

微帶線是一種平面?zhèn)鬏斁€，由寬度為w、厚度為t的上表面銅箔，以及相對介電常數(shù)為εr、厚度為h的介質(zhì)和下表面金屬地構(gòu)成。對于工程中常見的上表面銅箔寬度大于介質(zhì)板厚度的微帶線，其特征阻抗可以表達(dá)為[1]

(2)

其中

(3)

(4)

其中，Δw為考慮在t≠0時(shí)銅箔邊緣電容引入的等效寬度增量，εeff為微帶線介質(zhì)板的有效介電常數(shù)。

程序的公開公正是司法權(quán)區(qū)分于行政權(quán)的顯著特點(diǎn)，逮捕審查程序的司法化要遵守程序公開的原則，程序的公開有利于社會(huì)的監(jiān)督，也符合人們對程序正義的要求。貝卡利亞早就指出，“審判應(yīng)當(dāng)公開，犯罪的證據(jù)應(yīng)當(dāng)公開，以便使或許是社會(huì)唯一制約手段的輿論能夠約束強(qiáng)力和欲望”。[5]程序的公開是法治國家司法制度的重要的規(guī)則。司法實(shí)踐中各地的檢察機(jī)關(guān)采取了不同形式的審查模式，公開聽審，公開聽證，公開審查。他們的共同特點(diǎn)是體現(xiàn)審查逮捕程序的公開性。要貫徹逮捕程序的公開須做好以下的工作。

2 仿真結(jié)果

2.1 轉(zhuǎn)接模型的電磁特征

轉(zhuǎn)接模型是將同軸線中傳輸?shù)腡EM模過渡到微帶線中的準(zhǔn)TEM模，其連接方式是用焊錫將同軸線內(nèi)導(dǎo)體與微帶線上表面銅箔直接連接，如圖1所示。

圖1 同軸線與微帶線的連接方式

同軸線內(nèi)導(dǎo)體直徑0.39 mm，外導(dǎo)體直徑2.1 mm，其間填充的介質(zhì)材料相對介電常數(shù)εr為4.0。微帶線銅箔線寬0.54 mm，介質(zhì)板選用的是相對介電常數(shù)為3.48、厚度為0.254 mm的Rogers 4350B板材。考慮到實(shí)際安裝的需要，同軸內(nèi)導(dǎo)體針外表面與微帶銅箔上表面留有0.2 mm的間距。整個(gè)轉(zhuǎn)接模型安裝在尺寸為30 mm×20 mm×10 mm(長×寬×高)的屏蔽盒內(nèi)。圖2為理想情況下此轉(zhuǎn)接模型仿真的S參數(shù)。

當(dāng)頻率小于12 GHz時(shí)，其電磁特性尚優(yōu)。但是，隨著頻率的逐漸提高，插入損耗與回波損耗迅速惡化。而實(shí)際應(yīng)用中，在考慮與絕緣子連接的SMA接頭等接插件的影響后，傳輸性能會(huì)進(jìn)一步惡化。圖3為20 GHz時(shí)轉(zhuǎn)接模型的電場分布圖，轉(zhuǎn)接處內(nèi)導(dǎo)體針與焊錫部分的電場分布比較密集， 這是寄生電容存在的表現(xiàn)。較強(qiáng)的容性使轉(zhuǎn)接處的特征阻抗小于50 Ω，從而引起阻抗失配。

圖2 轉(zhuǎn)接模型的S參數(shù)

圖3 20 GHz時(shí)轉(zhuǎn)接模型的電場分布圖

由微波網(wǎng)絡(luò)理論可知，對于轉(zhuǎn)接模型這樣一個(gè)二端口互易有耗網(wǎng)絡(luò)，在某一頻點(diǎn)下該網(wǎng)絡(luò)可以等效為如圖4所示的電路，其中并聯(lián)電容C表征同軸線、微帶線的分布電容與不連續(xù)處引入的寄生電容之和，即

C=C分布+C寄生

(5)

對于理想的轉(zhuǎn)接模型C寄生=0。圖4中標(biāo)明了頻率為20 GHz時(shí)由S參數(shù)擬合的等效電路中各元件數(shù)值，其中并聯(lián)電容C約為0.11 pF。這里較大的并聯(lián)電容是寄生電容存在造成的。

圖4 轉(zhuǎn)接模型的等效電路

2.2 傳輸特性的優(yōu)化

2.2.1 空氣同軸的影響

本節(jié)利用空氣同軸結(jié)構(gòu)(如圖5所示)來改善傳輸特性。

圖5 空氣同軸結(jié)構(gòu)示意圖

首先，引入空氣同軸為匹配同軸到微帶的突變提供了條件，通過優(yōu)化空氣同軸的尺寸來補(bǔ)償轉(zhuǎn)接部分的容性，可以改善傳輸特性。其次，空氣同軸的存在可以抑制裸露內(nèi)導(dǎo)體針的電磁泄漏，降低腔體諧振的可能性。最后，空氣同軸位于絕緣子的后方，這能夠起到很好的臺(tái)階限位作用，增加可靠性。圖6給出了隨不同空氣同軸半徑變化的S參數(shù)，可見空氣同軸半徑過小或者過大傳輸特性都會(huì)出現(xiàn)明顯的惡化。這是由于其特征阻抗偏離50 Ω較遠(yuǎn)造成的。當(dāng)半徑為0.55 mm時(shí)，高頻段的插入損耗明顯降低，整個(gè)5～20 GHz頻段內(nèi)，插入損耗小于0.4 dB，對應(yīng)的回波損耗位于-15 dB以下。在設(shè)定空氣同軸半徑為0.55 mm的前提下，圖7給出了隨不同空氣同軸厚度變化的S參數(shù)。由于空氣同軸厚度的變化僅僅影響其電長度，在特征阻抗位于50 Ω左右浮動(dòng)不大的情況下，其對轉(zhuǎn)接處傳輸性能的影響并不明顯。

在高頻工作條件下需要考慮阻抗匹配與場匹配。[2]以電場為例，圖8給出了轉(zhuǎn)接模型中橫截面處于A1-A2，B1-B2，以及C1-C2位置的電場分布圖。這3個(gè)位置很好地代表了同軸線中、空氣同軸輸出端口及過渡處的電場分布模式。空氣同軸的存在將同軸線輸出端口處本來比較分散的電場逐漸過渡到中心導(dǎo)體下方，進(jìn)而匹配到束縛于微帶線銅箔附近的電場分布模式，完成場匹配。此處半徑為0.55 mm的空氣同軸對應(yīng)特征阻抗為62 Ω，有效補(bǔ)償了轉(zhuǎn)接處的容性。

圖6 隨空氣同軸半徑變化的S參數(shù)

圖7 隨空氣同軸厚度變化的S參數(shù)

圖8 轉(zhuǎn)接模型中電場分布

2.2.2 微帶漸變線的影響

前面所論述對傳輸性能的優(yōu)化方法集中在轉(zhuǎn)接處的前端，而轉(zhuǎn)接處與后端50 Ω微帶線的傳輸突變同樣不能忽視。目前，已經(jīng)有很多文獻(xiàn)研究了類似轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)后端的補(bǔ)償措施，如Kamei T[3]等人通過引入接地共面波導(dǎo)(CPWG)結(jié)構(gòu)來改善不連續(xù)性等。這些方法不同程度地增加了制作成本，并且不利于小型化高集成度的要求。下面介紹一種微帶線性漸變線的補(bǔ)償方式(如圖9所示)，用以補(bǔ)償轉(zhuǎn)接部分到微帶線之間的不連續(xù)性。線性漸變線有補(bǔ)償頻帶寬尺寸小易于集成的優(yōu)點(diǎn)。

圖9 線性漸變線示意圖

對于端接阻抗為Z0負(fù)載的線性漸變線，其總反射系數(shù)可以表示為[1]

(6)

其中，β為傳播常數(shù)，L為漸變線總長度。下面利用軟件仿真計(jì)算隨漸變線尺寸變化時(shí)轉(zhuǎn)接模型的傳輸性能。表1為20 GHz處轉(zhuǎn)接模型優(yōu)化前后擬合的等效電路參數(shù)對比。引入空氣同軸與線性漸變線有效降低了轉(zhuǎn)接模型中的寄生電容，等效電路中的并聯(lián)電容由0.11 pF減小到0.047 pF，寄生電容下降顯然會(huì)提高轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的傳輸性能。

圖10給出了隨漸變線長度變化的S21與S11仿真數(shù)據(jù)。當(dāng)漸變線長度小于導(dǎo)體針長度時(shí)傳輸特性沒有得到明顯改善。隨著漸變線長度的增加，插入損耗的改善并不明顯。但是，這里值得注意的是，線性漸變線的引入有效降低了轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的回波損耗。整個(gè)頻段內(nèi)，對于長度大于2 mm的漸變線，其回波損耗普遍位于-30 dB以下，且長度越長改善越明顯。考慮電路小型化的要求，對于此傳輸模型，當(dāng)漸變線長度為2 mm時(shí)其傳輸性能已滿足要求。

表1 優(yōu)化前后等效電路參數(shù)

圖10 隨微帶漸變線長度變化的S參數(shù)

3 測試結(jié)果

圖11為按照前述仿真模型制作的待測實(shí)物。圖12是優(yōu)化前后的實(shí)測數(shù)據(jù)。優(yōu)化后的傳輸特性明顯得到改善。需要強(qiáng)調(diào)的是，這里的測試數(shù)據(jù)沒有完全達(dá)到仿真目標(biāo)，分析其原因主要有以下兩個(gè)方面：第1，測試中為了連接測試盒體與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，使用了兩個(gè)SMA接插件，此處引入的額外損耗不可忽略；第2，由于尺寸微小，絕緣子導(dǎo)體針安裝過程中很容易偏離空氣同軸中心，偏心絕緣子的特征阻抗不符合50 Ω標(biāo)準(zhǔn)，這會(huì)影響傳輸特性，目前考慮在工藝上引入絕緣子夾具并進(jìn)一步探索改進(jìn)措施。

圖11 轉(zhuǎn)接模型實(shí)物

圖12 優(yōu)化前后轉(zhuǎn)接模型的測試數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)束語

本文通過CST仿真軟件提取了高頻同軸微帶轉(zhuǎn)接模型的電磁特征，并從空氣同軸及微帶漸變線兩方面入手優(yōu)化了轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的傳輸特性，研究發(fā)現(xiàn)空氣同軸半徑為0.55 mm、厚度為1 mm以及微帶漸變線長2 mm時(shí)的轉(zhuǎn)接模型，在5～20 GHz頻段內(nèi)具有良好的傳輸特性。

[1] David M Pozar.微波工程[M]. 周樂柱, 吳德明, 等譯.北京:電子工業(yè)出版社,2006:108-109,123-124.

[2] Gholamreza Askari, Hoda Fadakar，Hamid Mirmohammad-Sadeghi. Analysis, Design and Implementation of a Useful Broadband Coaxial-to-microstrip Transition[M]. PIERS Proceedings, Moscow, Russia, 2012:19-23.

[3] Kamei T, Utsumi Y, Dinh N Q, Thanh N. Wide-band coaxial-to-coplanar transition[J].IEICE Trans. on Electron., 2007, E90-C(10): 2030-2036.

Electromagnetic feature extraction and transmission characteristic optimization of coaxial-to-microstrip transition model

SUN Xun, XIE Xiao-bai, SHEN Hong-fei, WU Yuan-qing

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN85

A

1009-0401(2017)03-0047-05

2017-07-01;

2017-07-21

孫遜(1989-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)收發(fā)技術(shù)；解效白(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向：微波射頻電路；沈洪飛(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向：微波射頻電路；吳元清(1989-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達(dá)收發(fā)技術(shù)。