X波段SMP型同軸線濾波連接器的設計

(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的元件，主要功能是抑制不需要的信號，使其不能通過濾波器，讓需要的信號通過。隨著整機系統(tǒng)的小型化，對同軸射頻連接器的要求越來越高，除了小型化，還要多功能化，既起連接作用，又兼有處理信號的功能，如濾波功能等。

這種濾波功能連接器類型有多種，低通濾波器形式是其中常用的一種。它的實現(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，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。本文所設計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，設計指標為：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 設計原理

2.1 低通濾波器設計的基本原理

低通濾波器最基本的原理圖就是由電容電感的級聯(lián)來構(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聯(lián)組成。用高阻抗線來等效串聯(lián)電感，用低阻抗線來等效并聯(lián)電容，通過調(diào)整高低阻抗值及其長度可以設計出結(jié)構(gòu)簡單、性能良好的低通濾波器。圖3是一個典型的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計

我們所設計的是具有濾波功能的同軸連接器，稱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，設計成SMP F-SMP F的對稱子彈形，以便用于SMP系列板對板座子之間的連接。

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計，由于受到尺寸限制最多只能選擇7極結(jié)構(gòu)，最終的尺寸要通過后面的整體仿真獲得。實際結(jié)構(gòu)的實現(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﹑輸出過渡段內(nèi)部的絕緣子設計成支撐體，把該特殊形狀的中心針從兩邊支撐起來。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。由于濾波連接器整體尺寸長度要求的限制，7極空氣介質(zhì)糖葫蘆尺寸仍太長，所以中間填充PTFE介質(zhì)，以縮短長度。

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來裝配；而且同軸外腔體至少得設計為兩體結(jié)構(gòu)。這里的糖葫蘆式中心針是對稱的，從降低成本角度考慮，同軸外腔體設計為三體對稱式。

從輸入輸出兩端的SMP型界面到具有濾波功能的糖葫蘆處，這段同軸線既是過渡段又同時兼作支撐段，為固定零件，外腔體內(nèi)部設計有倒刺，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)對糖葫蘆結(jié)構(gòu)的射頻性能影響也很大，尤其對于濾波通阻帶位置。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，并盡量考慮到實際加工的公差。通過整體仿真確定出最終濾波連接器的每個尺寸。圖4 為該結(jié)構(gòu)的仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)剖面圖。考慮到頻域仿真更為合適，選取HFSS軟件進行仿真，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通過，高于截止頻率的信號不能通過的器件。但對于當前這一實例，我們僅需要9～10GHz這部分信號通過信號，低于9GHz的信號是否通過或插損較大我們是不關注的。所以仿真結(jié)果是符合我們的設計指標的。

3 設計結(jié)果

3.1 實物照片

其實物外形尺寸為Ф4.9mm ×17.2 mm。

圖6 所設計的濾波連接器元件實物

3.2 樣品測試結(jié)果

樣品測試在Anritsu 37269D網(wǎng)絡分析儀上完成，校準用SMA2.9校準件。按標準Port1為SMA2.9 M, Port2為SMA2.9 F進行全部12項校準，測試連接及測試結(jié)果如下：

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

頻標對應：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 測試曲線

結(jié)果顯示，樣品實際測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，曲線趨勢一致。通帶、阻帶位置和數(shù)值也基本一致。樣品測試結(jié)果符合設計要求。如前所述，為了裝配的需要及成本角度考慮，同軸外腔設計為多體結(jié)構(gòu)，實際制作的樣品采用了輸入輸出對稱三體結(jié)構(gòu)。但由于零件加工的精度、鍍層厚度和裝配的誤差會使理論與實際值有一些差別，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。測試曲線中帶外抑制在31GHz上可見有一尖峰，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。在HFSS仿真曲線中也顯示出來，在大約相同頻率處有一微小的起伏。然而再加上實際每個零件加工的誤差和裝配公差等，累計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范圍之外，但還是有待以后改進，將其去掉。

4 結(jié)束語

設計結(jié)果滿足設計指標要求。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界面定義標準.

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

[3] 顧其諍等. 微波集成電路設計[M]，人民郵電出版社，1978.