SMP射頻同軸匹配負載的設計與研究

劉長春+秦雪雪

摘要：文章介紹了一種SMP射頻同軸匹配負載的設計，詳細介紹了負載的設計原理及實現方法。

關鍵詞：負載；柱狀無感高頻電阻；電壓駐波比；仿真

射頻同軸匹配負載是微波無源單端口器件，在無線電設備、電子儀器以及各種微波裝備中應用廣泛，通常作為整機或系統的輸出端口，用來承受功率和實現阻抗匹配。射頻同軸匹配負載的工作原理為：使用電阻吸收傳輸通道的微波能量，將電磁能轉換為熱能。使用負載連接在空置的測試端口，既保證了信號的阻抗匹配，又大大減少了空置端口信號泄漏、系統間的相互干擾，是射頻傳輸系統的重要組成部分之一。

1 射頻同軸匹配負載設計原理

1.1同軸傳輸線原理

SMP射頻同軸匹配負載的連接器部分，設計依據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；

為同軸線外導體內徑；

為同軸線內導體外徑；

為介質撐介電常數。

1.2 介質撐補償原理

介質撐的主要作用是對內導體提供物理支撐，同時也保證內、外導體之間的同軸度。但是引入介質撐后，外導體、內導體與同軸傳輸線之間產生階梯，必然會引入不連續電容。

為盡量減小頻帶內的反射，需要對不連續電容進行補償。同軸傳輸線的不連續性補償結構可以等效為一段高阻傳輸線，補償效果取決于高阻傳輸線的特性阻抗Z和傳輸線長度&其等效電路模型如圖1所示，圖中C為不連續電容。

1.3 柱狀電阻阻抗匹配原理

使用柱狀無感高頻電阻作為內導體進行阻抗匹配，此部分的設計理論與同軸線傳輸原理類似。假設柱狀電阻的直徑為2A，長度為L，阻值及等于均勻同軸線的特性阻抗&，并且在柱狀電阻長度方向任一位置Z的特性阻抗Zx等于ZpjO點的電阻值則柱狀電阻部分阻抗匹配，電磁波沒有反射全部被吸收。

設X處外導體的半徑為，并且滿足同軸傳輸線的特性阻抗公式，則可以計算出外導體內徑，如下所示：

從以上公式可以看出，與柱狀電阻匹配的外導體理想形狀為異物線，如圖2所示。

2負載仿真設計

2.1介質撐仿真

介質撐采用抗環境特性好、介電常數小的聚四氟乙烯材料。為了方便介質支撐的固定，選擇外導體突變的介質撐結構方案；同時采用臺階結構對引入介質撐帶來的不連續性進行補償。

使用高頻結構仿真軟件HFSS對介質撐進行建模并仿真，最終結果如圖3所示。可以看出在DC?26.5GHz頻率范圍內回波損耗小于-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體內腔近似為錐形結構。使用高頻結構仿真軟件HFSS對柱狀電阻段進行建模，將柱狀電阻材料設置為氧化鋁，并且設置好方阻值，通過調節錐形結構的各部位尺寸和臺階長度，優化柱狀電阻段的性能指標。仿真結果如圖4所示，可以看出，在DC?26.5GHz頻率范圍內回波損耗小于-30dB零件組成。

為便于互換，滿足用戶的使用習慣，負載采用標準SMP陰頭連接器的接口。介質支撐材料選用聚四氟乙烯；負載的內導體穿過介質撐，裝入到外導體中，保證內、外導體的同軸度及端口尺寸。柱狀電阻一端伸入內導體尾部的孔中，另一端采用緊定螺釘固定；內導體和端蓋之間采用螺紋連接。

3.2 彈性結構設計

在SMP同軸負載的結構設計過程中，彈性結構是關鍵。鈹青銅在固溶時效處理后，具有很高的強度、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、無磁性等特點，因此，SMP同軸負載內導體和外導體都使用鈹青銅加工制造。SMP同軸負載采用內導體開兩個槽、外導體開4個槽的方案，易于加工。

4 實際測試結果

采用中國電子科技集團公司第四十一研究所生產的矢量網絡分析儀AV3672E進行測試，結果如圖5所示。從圖中可以看出，在100MHz?26.5GHz頻率范圍內，負載的最大駐波比為1.18。

2.3 負載整體微波性能設計

介質撐和柱狀電阻段仿真完成之后，使用HFSS軟件建立負載的整體仿真模型并進行仿真優化。仿真結果可以看出，負載的駐波比小于1.07，設計指標優良。

3 負載結構設計

3.1 整體結構設計

負載主要由內導體、外導體、介質撐、柱狀電阻、端蓋等

5 結語

本文基于同軸線理論，采用柱狀無感高頻電阻設計了一種SMP射頻同軸匹配負載，所設計負載的射頻性能能夠滿足生產調試過程的使用要求，采用柱狀無感高頻電阻，可以大大地降低負載成本。

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