X波段SMP型同軸線濾波連接器的設(shè)計(jì)

(上海雷迪埃電子有限公司，上海，200072)

1 引言

射頻同軸連接器是同軸傳輸線電氣連接的元件。射頻濾波器是選擇不同頻率射頻信號(hào)的元件，主要功能是抑制不需要的信號(hào)，使其不能通過(guò)濾波器，讓需要的信號(hào)通過(guò)。隨著整機(jī)系統(tǒng)的小型化，對(duì)同軸射頻連接器的要求越來(lái)越高，除了小型化，還要多功能化，既起連接作用，又兼有處理信號(hào)的功能，如濾波功能等。

這種濾波功能連接器類(lèi)型有多種，低通濾波器形式是其中常用的一種。它的實(shí)現(xiàn)方法也有所不同。其中，插損小且為同軸方式的是經(jīng)典的糖葫蘆式結(jié)構(gòu)。不過(guò)，該結(jié)構(gòu)的濾波器頻率通帶以往都在900MHz、1800MHz或2000MHz左右，工作頻率較低。本文所設(shè)計(jì)的濾波功能與連接器一體化的濾波連接器通帶在X波段，輸入輸出端均為SMP母端接口，設(shè)計(jì)指標(biāo)為：通帶9～10GHz，通帶插損<0.5dB，回波損耗<-15dB，帶外抑制：18GHz～20GHz>20dB，20GHz～30GHz>30dB。外形尺寸<Ф4.9mm×17.5mm。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 低通濾波器設(shè)計(jì)的基本原理

低通濾波器最基本的原理圖就是由電容電感的級(jí)聯(lián)來(lái)構(gòu)成的。圖1是其中常用的一種LC并聯(lián)輸入式低通濾波器的原型圖，gi為原型濾波器的元件歸一化值。圖2是將圖1具體為7極LC電容輸入式濾波器的電原理圖。

圖1 電容輸入式低通LC濾波器原型

圖2 7極集總元件低通濾波器

2.2 低通同軸糖葫蘆式濾波器的實(shí)現(xiàn)

糖葫蘆式濾波器是低通濾波器的典型結(jié)構(gòu)，它由同軸線構(gòu)成的高、低阻抗傳輸線交替級(jí)聯(lián)組成。用高阻抗線來(lái)等效串聯(lián)電感，用低阻抗線來(lái)等效并聯(lián)電容，通過(guò)調(diào)整高低阻抗值及其長(zhǎng)度可以設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能良好的低通濾波器。圖3是一個(gè)典型的7極低通糖葫蘆式濾波器的結(jié)構(gòu)。

圖3 7極糖葫蘆式濾波器結(jié)構(gòu)圖

2.3 糖葫蘆式濾波連接器的仿真設(shè)計(jì)

我們所設(shè)計(jì)的是具有濾波功能的同軸連接器，稱(chēng)它為同軸線濾波連接器，它的輸入﹑輸出端的阻抗均為50ohm。SMP界面作為連接器輸入/輸出端口，設(shè)計(jì)成SMP F-SMP F的對(duì)稱(chēng)子彈形，以便用于SMP系列板對(duì)板座子之間的連接。

糖葫蘆式中心針的初始尺寸按通常切比雪夫低通濾波器原型設(shè)計(jì)，由于受到尺寸限制最多只能選擇7極結(jié)構(gòu)，最終的尺寸要通過(guò)后面的整體仿真獲得。實(shí)際結(jié)構(gòu)的實(shí)現(xiàn)是將糖葫蘆結(jié)構(gòu)作為中心針裝入同軸型腔中，所以必須有支撐部分。為此，將輸入﹑輸出過(guò)渡段內(nèi)部的絕緣子設(shè)計(jì)成支撐體，把該特殊形狀的中心針從兩邊支撐起來(lái)。另外，同軸外腔體內(nèi)部與糖葫蘆式中心針之間再由一層較薄的絕緣子套隔開(kāi)。由于濾波連接器整體尺寸長(zhǎng)度要求的限制，7極空氣介質(zhì)糖葫蘆尺寸仍太長(zhǎng)，所以中間填充PTFE介質(zhì)，以縮短長(zhǎng)度。

圖4 仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖

圖5 HFSS仿真結(jié)果

由于裝配的需要，填充的絕緣子采用切口掰開(kāi)來(lái)裝配；而且同軸外腔體至少得設(shè)計(jì)為兩體結(jié)構(gòu)。這里的糖葫蘆式中心針是對(duì)稱(chēng)的，從降低成本角度考慮，同軸外腔體設(shè)計(jì)為三體對(duì)稱(chēng)式。

從輸入輸出兩端的SMP型界面到具有濾波功能的糖葫蘆處，這段同軸線既是過(guò)渡段又同時(shí)兼作支撐段，為固定零件，外腔體內(nèi)部設(shè)計(jì)有倒刺，連接處有階梯突變，使得這部分同軸線的阻抗出現(xiàn)了變化，所以必須整體考慮在仿真之內(nèi)。同樣，作為支撐和填充的絕緣子，其大小﹑形狀、精度和材質(zhì)對(duì)糖葫蘆結(jié)構(gòu)的射頻性能影響也很大，尤其對(duì)于濾波通阻帶位置。所以，仿真模型是帶著前后輸入輸出端連接部分與糖葫蘆結(jié)構(gòu)一起仿真的，并盡量考慮到實(shí)際加工的公差。通過(guò)整體仿真確定出最終濾波連接器的每個(gè)尺寸。圖4 為該結(jié)構(gòu)的仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖?？紤]到頻域仿真更為合適，選取HFSS軟件進(jìn)行仿真，圖5為該結(jié)構(gòu)的HFSS仿真結(jié)果。

盡管低通濾波器是容許低于截止頻率的信號(hào)通過(guò)，高于截止頻率的信號(hào)不能通過(guò)的器件。但對(duì)于當(dāng)前這一實(shí)例，我們僅需要9～10GHz這部分信號(hào)通過(guò)信號(hào)，低于9GHz的信號(hào)是否通過(guò)或插損較大我們是不關(guān)注的。所以仿真結(jié)果是符合我們的設(shè)計(jì)指標(biāo)的。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果

3.1 實(shí)物照片

其實(shí)物外形尺寸為Ф4.9mm ×17.2 mm。

圖6 所設(shè)計(jì)的濾波連接器元件實(shí)物

3.2 樣品測(cè)試結(jié)果

樣品測(cè)試在Anritsu 37269D網(wǎng)絡(luò)分析儀上完成，校準(zhǔn)用SMA2.9校準(zhǔn)件。按標(biāo)準(zhǔn)Port1為SMA2.9 M, Port2為SMA2.9 F進(jìn)行全部12項(xiàng)校準(zhǔn)，測(cè)試連接及測(cè)試結(jié)果如下：

樣品SMPF-SMPF連接方式:多加兩個(gè)轉(zhuǎn)接器SMA2.9F-SMPM+SMPF-SMPF(DUT)+SMPM-SMA2.9M頻率(GHz)9-10GHz(通帶)18～30GHz(阻帶)實(shí)測(cè)值帶內(nèi)回波(dB)<-15.6實(shí)測(cè)值帶內(nèi)插損(dB)﹤0.29(扣除兩個(gè)轉(zhuǎn)接器)≤0.49(包含兩個(gè)轉(zhuǎn)接器)實(shí)測(cè)值帶外抑制(dB)<-25.5@18GHz<-30@30GHz

頻標(biāo)對(duì)應(yīng)：Mark1, 8GHz; Mark2, 9.3GHz; Mark3, 10GHz; Mark4, 18GHz; Mark5, 20GHz, Mark6, 30GHz。

其回波損耗、帶內(nèi)插損、帶外抑制測(cè)試曲線如圖7所示：

a.右側(cè)數(shù)據(jù)表示回波損耗

b.右側(cè)數(shù)據(jù)表示插損和帶外抑制(插損扣除兩個(gè)轉(zhuǎn)接頭)

c.右側(cè)數(shù)據(jù)表示插損和帶外抑制(插損包含兩個(gè)轉(zhuǎn)接頭) 圖7 SMA2.9 F-SMP M+ SMP F-SMP F(濾波連接器)+SMP M-SMA2.9 M 測(cè)試曲線

結(jié)果顯示，樣品實(shí)際測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，曲線趨勢(shì)一致。通帶、阻帶位置和數(shù)值也基本一致。樣品測(cè)試結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。如前所述，為了裝配的需要及成本角度考慮，同軸外腔設(shè)計(jì)為多體結(jié)構(gòu)，實(shí)際制作的樣品采用了輸入輸出對(duì)稱(chēng)三體結(jié)構(gòu)。但由于零件加工的精度、鍍層厚度和裝配的誤差會(huì)使理論與實(shí)際值有一些差別，特別糖葫蘆式中心針加工的誤差造成射頻性能偏差加大，尤其是帶外抑制的偏差。測(cè)試曲線中帶外抑制在31GHz上可見(jiàn)有一尖峰，其抑制約為35dB。這是濾波連接器結(jié)構(gòu)中某處有一微小隙縫造成了諧振點(diǎn)。在HFSS仿真曲線中也顯示出來(lái)，在大約相同頻率處有一微小的起伏。然而再加上實(shí)際每個(gè)零件加工的誤差和裝配公差等，累計(jì)誤差使得帶外抑制性能更加惡化，尖峰更大。雖然尖峰落在要求指標(biāo)范圍之外，但還是有待以后改進(jìn)，將其去掉。

4 結(jié)束語(yǔ)

設(shè)計(jì)結(jié)果滿(mǎn)足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。此外，糖葫蘆式濾波連接器通帶可以從L波段提升到X波段。

[1] SMP界面定義標(biāo)準(zhǔn).

[2] 莊亞仁. 分米波段大功率諧波濾波器的設(shè)計(jì)，廣播電視通信技術(shù)[J]，1996(2):14-17.

[3] 顧其諍等. 微波集成電路設(shè)計(jì)[M]，人民郵電出版社，1978.