小型化SMP射頻同軸匹配負載的設計與研究

劉長春，張?zhí)仗眨靷シ澹S延峰

（1.中國電子科技集團公司第四十研究所，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

射頻同軸匹配負載是一種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(tǒng)的輸出端口，用于實現(xiàn)阻抗匹配和承受功率。射頻同軸匹配負載的工作原理為：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，又大大地減少了空置端口信號泄漏和系統(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，整機和系統(tǒng)正在向小型化、輕量化的方向發(fā)展，對部件小型化提出了越來越高的要求。

2 射頻同軸匹配負載設計原理

2.1 同軸傳輸線原理

與射頻同軸連接器一樣，射頻同軸匹配負載的連接器部分設計原理為同軸傳輸線基本原理。在理想導體條件下，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為同軸線外導體內(nèi)徑；

d為同軸線內(nèi)導體外徑；

εr為介質(zhì)撐介電常數(shù)。

2.2 介質(zhì)撐補償原理

介質(zhì)撐的主要作用是對內(nèi)導體、外導體提供物理支撐，同時也保證內(nèi)、外導體之間的同軸度。由于引入介質(zhì)撐，外導體、內(nèi)導體與同軸傳輸線之間會產(chǎn)生階梯，必然會引入不連續(xù)電容，如圖1所示。

圖1 內(nèi)、外導體同時突變結構

為盡量減小在工作頻率范圍的反射，需要對引入介質(zhì)撐產(chǎn)生的不連續(xù)電容作補償。同軸傳輸線不連續(xù)性的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 補償結構的等效電路模型

2.3 分布參數(shù)衰減片設計原理

衰減片主要有集總參數(shù)和分布參數(shù)兩大類衰減片，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，∏型衰減網(wǎng)絡接地容易，電阻可以集成，能減小頻率升高時分布參數(shù)對性能的影響，如下圖所示。

圖3 ∏型衰減網(wǎng)絡

對于∏型同阻式衰減網(wǎng)絡，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，可以通過磁控濺射、化學刻蝕等方法將薄膜電阻做在陶瓷片基材上，再通過熱氧化調(diào)阻的方法，來調(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負載的仿真設計

3.1 負載指標要求

根據(jù)以上的原理分析，設計了一種小型化的SMP射頻同軸匹配負載，其技術指標要求如下：

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)撐仿真設計

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)、外導體同時突變的介質(zhì)撐結構方案；同時采用臺階結構對傳輸線的不連續(xù)性進行補償。

使用高頻結構仿真軟件HFSS對介質(zhì)撐、內(nèi)導體和外導體進行建模，然后對介質(zhì)撐進行仿真優(yōu)化，最終結果如圖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，滿足設計要求。

圖4 介質(zhì)撐的駐波比仿真曲線

3.3 負載片仿真設計

根據(jù)分布參數(shù)衰減片設計原理，設計負載的負載片如圖5所示。使用高頻結構仿真軟件HFSS對負載片進行建模，設置負載片基片材料為氧化鋁陶瓷片，然后調(diào)整負載片上各部分尺寸，對負載片進行仿真優(yōu)化。

圖5 負載片示意圖

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

圖6 負載片最大駐波比仿真曲線

3.4 負載整體微波性能仿真設計

當介質(zhì)撐、負載片仿真完成之后，使用HFSS軟件建立負載的整體仿真模型并進行仿真優(yōu)化。仿真優(yōu)化結果如圖7所示，從圖中可以看出，負載的最大駐波比小于1.07，設計指標優(yōu)良，滿足設計要求。

圖7 駐波比仿真曲線

4 小型化SMP負載結構設計

負載主要由內(nèi)導體、外導體、介質(zhì)撐、負載片、端蓋等零件組成，負載的整體結構如圖8所示。通過對負載進行小型化設計，滿足外形尺寸≤7.5mm×Φ3.5mm的要求。

圖8 負載整體結構示意圖

負載采用標準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；負載的內(nèi)導體穿過介質(zhì)撐，裝入到外導體中，保證內(nèi)外導體的同軸度及端口尺寸。

5 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(chǎn)的矢量網(wǎng)絡分析儀AV3672E進行對負載樣品測試，結果如圖9所示。從圖中可以看出，在100MHz～18GHz頻率范圍內(nèi)，負載的最大駐波比為1.08。

圖9 負載實測曲線

6 結論

本文基于同軸傳輸線理論和分布參數(shù)衰減片原理，設計了一種小型化的SMP射頻同軸匹配負載，所設計負載的測試和仿真結果吻合良好，能夠滿足整機或系統(tǒng)對部件小型化的需求。