趙建波,劉長春,許曉龍
(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所,安徽蚌埠,233010)
射頻同軸連接器是一種應(yīng)用廣泛的微波毫米波器件,相對于波導(dǎo)連接器而言,同軸連接器具有頻帶寬、體積小、重量輕、價格便宜等優(yōu)點,在國防軍工、儀器儀表、移動通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。
145GHz同軸連接器頻帶寬,其頻率上限已經(jīng)進(jìn)入THz領(lǐng)域,THz波束寬,容易對準(zhǔn),天線系統(tǒng)可以實現(xiàn)小型化、平面化,降低了對準(zhǔn)所需要的精度和難度,在遙感和遙測、毫米波雷達(dá)、電子偵察、精確制導(dǎo)、星間通信、亞毫米波空間探測與環(huán)境監(jiān)測、測試測量儀器等方面具有廣闊的需求背景,是下一代通信的發(fā)展方向?,F(xiàn)有的同軸連接器產(chǎn)品最高頻率只能覆蓋到110GHz,無法滿足各行業(yè)對于THz同軸連接器的需求,因此開展145GHz精密同軸連接器的設(shè)計研究具有重要意義。
145GHz同軸連接器的設(shè)計目標(biāo)如表1所示。
表1 145GHz同軸連接器的設(shè)計目標(biāo)
本次設(shè)計的連接器最高頻率高達(dá)145GHz,連接器的電性能指標(biāo)對阻抗不連續(xù)的變化異常敏感,對零件的尺寸精度要求高,在如此寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配的難度非常大。同時,為了支撐和固定內(nèi)導(dǎo)體,145GHz同軸連接器在設(shè)計時同樣需要引入介質(zhì)支撐,介質(zhì)支撐的引入會導(dǎo)致傳輸線變得不均勻,如果設(shè)計不當(dāng),會產(chǎn)生嚴(yán)重的反射,甚至?xí)ぐl(fā)出高次模,導(dǎo)致設(shè)計失敗。因此,如何在超高頻帶內(nèi)實現(xiàn)傳輸線的精確設(shè)計是145GHz同軸連接器的關(guān)鍵所在,難點總結(jié)如下:
難點1:頻帶寬,工作頻率高達(dá)145GHz,實現(xiàn)整個頻段內(nèi)阻抗匹配難度大。
難點2:介質(zhì)支撐不僅要有足夠的強(qiáng)度,還必須進(jìn)行合理的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計,在超寬帶頻率范圍內(nèi)盡量較小反射,設(shè)計難度大。
難點3:工作頻段高,對零件精度要求高,在兼顧微波性能和成本的前提下,容差設(shè)計計算量大,設(shè)計難度高。
介質(zhì)支撐是145GHz同軸連接器的核心部件,在設(shè)計時需要遵循以下幾個原則:保證電性能的前提下必須有足夠的強(qiáng)度;介質(zhì)支撐的材料介電常數(shù)要盡可能的??;介質(zhì)支撐的結(jié)構(gòu)必須具有良好的可加工性。
在介質(zhì)支撐介入位置會引發(fā)阻抗的不連續(xù),相當(dāng)于在此位置引入了一個不連續(xù)電容,工程上常用的方法通過共面補(bǔ)償進(jìn)行消除,同時為降低介質(zhì)支撐的等效介電常數(shù),保證連接器的帶寬,需要在介質(zhì)撐端面進(jìn)行周期性打孔處理。
圖1 介質(zhì)支撐回波損耗仿真曲線
本次設(shè)計我們采用介電常數(shù)較小的工程塑料來設(shè)計介質(zhì)支撐。通過軟件仿真來優(yōu)化介質(zhì)支撐的各尺寸,從而將不連續(xù)電容降到最低,保證介質(zhì)支撐在整個頻段內(nèi)盡量匹配。介質(zhì)支撐的仿真結(jié)果如圖2、圖3所示,通過仿真優(yōu)化,介質(zhì)支撐的回波損耗在-40dB以下。
為了保證同軸連接器的陰陽內(nèi)導(dǎo)體接觸良好,陰頭內(nèi)導(dǎo)體上一般需要設(shè)計彈性結(jié)構(gòu),常用的結(jié)構(gòu)主要有開槽結(jié)構(gòu)和陰頭內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)嵌彈簧爪結(jié)構(gòu)。145GHz同軸連接器的直徑僅有0.348mm,內(nèi)嵌彈簧爪結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn),因此陰頭內(nèi)導(dǎo)體采用開槽結(jié)構(gòu)。綜合考慮現(xiàn)有的加工手段和加工難度,將陰頭內(nèi)導(dǎo)體設(shè)計為雙槽結(jié)構(gòu),如圖2所示。在HFSS中建立仿真模型,雙槽結(jié)構(gòu)對回波的影響如圖3所示,從圖中可以看出,雙槽結(jié)構(gòu)對回波損耗影響較小,在可接受的范圍內(nèi)。
圖2 雙槽結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 開雙槽結(jié)構(gòu)仿真曲線
同軸連接器互連時,理論上互連的陰陽連接器的內(nèi)導(dǎo)體之間應(yīng)該沒有間隙存在,即G=0mm。事實上,理想狀態(tài)是無法實現(xiàn)的,為了保證互連時連接器內(nèi)導(dǎo)體不會損壞被測件,內(nèi)導(dǎo)體端面與電氣基準(zhǔn)面之間通常設(shè)計一個很小的負(fù)公差,接觸間隙的存在,使連接端口的特征阻抗匹配惡化,增大了連接端口的反射系數(shù),影響測量精度。通常間隙對駐波比的影響可以通過式1進(jìn)行計算:
式中,S為駐波比;F為頻率;G為空氣間隙寬度;d為內(nèi)導(dǎo)體外徑;N為開槽數(shù)量;w為開槽寬度;dg為插針直徑。
針對不同的間隙和槽寬組合,采用HFSS軟件進(jìn)行仿真分析,仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,當(dāng)間隙G=0.05mm時,回波曲線惡化嚴(yán)重,沒有足夠的設(shè)計余量,因此要求G<0.05mm,即內(nèi)導(dǎo)體端面距離電氣基準(zhǔn)面的公差(g)應(yīng)該控制在-0.025mm~0之間。
圖4 不同間隙的仿真曲線
對于同軸連接器而言,橫截面上中心導(dǎo)體相對于外導(dǎo)體的同心度偏差是一個很重要的指標(biāo),同心度偏差會引起連接器特性阻抗的變化。設(shè)e為中心內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體內(nèi)孔中心軸線的同心度偏差,如圖5所示,內(nèi)外導(dǎo)體同心度e引起的特性阻抗偏差為:
圖5 傳輸線偏心示意圖
在通常情況下,引發(fā)同心度偏差的原因,一方面是由于內(nèi)外導(dǎo)體的形狀偏差和裝配偏差引起的,另一方面是由于介質(zhì)支撐的介入引起的。安裝介質(zhì)支撐的臺階結(jié)構(gòu),在實際加工過程中,由于刀尖的磨損,在臺階根部并不是標(biāo)準(zhǔn)的直角,而是會產(chǎn)生一個微小的過渡圓角。根部圓角的大小與內(nèi)導(dǎo)體臺階高度接近,會導(dǎo)致阻抗補(bǔ)償設(shè)計失敗,還會引起內(nèi)外導(dǎo)體同心度惡化。
因此,在設(shè)計時不僅要嚴(yán)格控制零件的尺寸和形狀誤差,加工過程中也要對內(nèi)導(dǎo)體的根部圓角進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控,保證內(nèi)導(dǎo)體的臺階根部圓角在可接受的范圍內(nèi)。
在DC~110GHz頻段內(nèi),通過搭建110GHz同軸測試平臺測試,在110GHz~145GHz頻段內(nèi),通過110GHz~170GHz太赫茲測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。在DC~110GHz頻段內(nèi),回波損耗22dB,插入損耗0.28dB,在110GHz~145GHz頻段內(nèi),回波損耗18.9dB,插入損耗0.36dB,滿足表1中連接器的設(shè)計目標(biāo)。具體測試曲線如圖6和圖7所示。
圖6 DC~110GHz頻段測試曲線
圖7 110GHz~145GHz頻段測試曲線
本文通過理論計算和仿真方法,分析了介質(zhì)支撐、內(nèi)導(dǎo)體開槽、內(nèi)導(dǎo)體間隙以及內(nèi)導(dǎo)體根部圓角對145GHz同軸連接器傳輸線的影響,在此基礎(chǔ)上設(shè)計完成145GHz同軸連接器。如圖8、圖9所示。連接器經(jīng)實測,回波損耗小于15dB,插入損耗小于0.6dB,滿足設(shè)計目標(biāo),證明理論和放著相結(jié)合的設(shè)計方法的有效性,值得其他高頻產(chǎn)品設(shè)計時進(jìn)行借鑒。同時145GHz同軸連接器的研發(fā)為我國THz領(lǐng)域產(chǎn)品的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。
圖8 145GHz同軸連接器實物
圖9 太赫茲測試系統(tǒng)