小型化SMP射頻同軸匹配負(fù)載的設(shè)計(jì)與研究

劉長(zhǎng)春，張?zhí)仗眨靷シ?，許延峰

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233000；2.中電科儀器儀表有限公司，山東青島，266555）

1 引言

射頻同軸匹配負(fù)載是一種微波無(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，用于實(shí)現(xiàn)阻抗匹配和承受功率。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中的微波能量，將電磁能轉(zhuǎn)換為熱能。

將負(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，又大大地減少了空置端口信號(hào)泄漏和系統(tǒng)間的相互干擾，是射頻傳輸系統(tǒng)的重要組成部分之一。近年來(lái)，整機(jī)和系統(tǒng)正在向小型化、輕量化的方向發(fā)展，對(duì)部件小型化提出了越來(lái)越高的要求。

2 射頻同軸匹配負(fù)載設(shè)計(jì)原理

2.1 同軸傳輸線原理

與射頻同軸連接器一樣，射頻同軸匹配負(fù)載的連接器部分設(shè)計(jì)原理為同軸傳輸線基本原理。在理想導(dǎo)體條件下，均勻同軸傳輸線的特性阻抗為：

式中，Z0為同軸傳輸線特性阻抗；

D為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑；

d為同軸線內(nèi)導(dǎo)體外徑；

εr為介質(zhì)撐介電常數(shù)。

2.2 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、外導(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。由于引入介質(zhì)撐，外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體與同軸傳輸線之間會(huì)產(chǎn)生階梯，必然會(huì)引入不連續(xù)電容，如圖1所示。

圖1 內(nèi)、外導(dǎo)體同時(shí)突變結(jié)構(gòu)

為盡量減小在工作頻率范圍的反射，需要對(duì)引入介質(zhì)撐產(chǎn)生的不連續(xù)電容作補(bǔ)償。同軸傳輸線不連續(xù)性的補(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L，其等效電路模型如圖2所示，圖中C為不連續(xù)電容。

圖2 補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的等效電路模型

2.3 分布參數(shù)衰減片設(shè)計(jì)原理

衰減片主要有集總參數(shù)和分布參數(shù)兩大類(lèi)衰減片，其中分布參數(shù)衰減片具有良好的頻響特性。衰減電路又分為∏型和T型電阻衰減網(wǎng)絡(luò)，∏型衰減網(wǎng)絡(luò)接地容易，電阻可以集成，能減小頻率升高時(shí)分布參數(shù)對(duì)性能的影響，如下圖所示。

圖3 ∏型衰減網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于∏型同阻式衰減網(wǎng)絡(luò)，Z1＝Z2＝Z0，即R1＝R2，所以R1和R2的值可以用下式表示：

式中，Z0為特性阻抗；

A為衰減量；

R1和R2為并聯(lián)電阻；

R3為串聯(lián)電阻。

確定衰減片串聯(lián)電阻和并聯(lián)電阻后，可以通過(guò)磁控濺射、化學(xué)刻蝕等方法將薄膜電阻做在陶瓷片基材上，再通過(guò)熱氧化調(diào)阻的方法，來(lái)調(diào)整薄膜電阻的方阻，從而調(diào)整到所需要的特性阻抗。

3 小型化SMP負(fù)載的仿真設(shè)計(jì)

3.1 負(fù)載指標(biāo)要求

根據(jù)以上的原理分析，設(shè)計(jì)了一種小型化的SMP射頻同軸匹配負(fù)載，其技術(shù)指標(biāo)要求如下：

頻率范圍：DC～18GHz

最大駐波比：≤1.25

端口形式：SMP陰頭

外形尺寸：≤7.5mm×Φ3.5mm

平均功率容量：0.5W

3.2 介質(zhì)撐仿真設(shè)計(jì)

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，選擇內(nèi)、外導(dǎo)體同時(shí)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)傳輸線的不連續(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、內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體進(jìn)行建模，然后對(duì)介質(zhì)撐進(jìn)行仿真優(yōu)化，最終結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，在DC～18GHz頻率范圍內(nèi)，介質(zhì)撐的最大駐波比小于1.03，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖4 介質(zhì)撐的駐波比仿真曲線

3.3 負(fù)載片仿真設(shè)計(jì)

根據(jù)分布參數(shù)衰減片設(shè)計(jì)原理，設(shè)計(jì)負(fù)載的負(fù)載片如圖5所示。使用高頻結(jié)構(gòu)仿真軟件HFSS對(duì)負(fù)載片進(jìn)行建模，設(shè)置負(fù)載片基片材料為氧化鋁陶瓷片，然后調(diào)整負(fù)載片上各部分尺寸，對(duì)負(fù)載片進(jìn)行仿真優(yōu)化。

圖5 負(fù)載片示意圖

仿真優(yōu)化結(jié)果如圖6所示，可以看出，在DC～18GHz頻率范圍內(nèi)駐波比小于1.05，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖6 負(fù)載片最大駐波比仿真曲線

3.4 負(fù)載整體微波性能仿真設(shè)計(jì)

當(dāng)介質(zhì)撐、負(fù)載片仿真完成之后，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。仿真優(yōu)化結(jié)果如圖7所示，從圖中可以看出，負(fù)載的最大駐波比小于1.07，設(shè)計(jì)指標(biāo)優(yōu)良，滿足設(shè)計(jì)要求。

圖7 駐波比仿真曲線

4 小型化SMP負(fù)載結(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、負(fù)載片、端蓋等零件組成，負(fù)載的整體結(jié)構(gòu)如圖8所示。通過(guò)對(duì)負(fù)載進(jìn)行小型化設(shè)計(jì)，滿足外形尺寸≤7.5mm×Φ3.5mm的要求。

圖8 負(fù)載整體結(jié)構(gòu)示意圖

負(fù)載采用標(biāo)準(zhǔn)SMP插孔接觸件連接器的端口形式，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。

5 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)行對(duì)負(fù)載樣品測(cè)試，結(jié)果如圖9所示。從圖中可以看出，在100MHz～18GHz頻率范圍內(nèi)，負(fù)載的最大駐波比為1.08。

圖9 負(fù)載實(shí)測(cè)曲線

6 結(jié)論

本文基于同軸傳輸線理論和分布參數(shù)衰減片原理，設(shè)計(jì)了一種小型化的SMP射頻同軸匹配負(fù)載，所設(shè)計(jì)負(fù)載的測(cè)試和仿真結(jié)果吻合良好，能夠滿足整機(jī)或系統(tǒng)對(duì)部件小型化的需求。