在高頻段下帶SMA接頭的同軸矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)

　　1 引言

　　在微波系統(tǒng)中，常使用到一種很普遍的部件，即由一種傳輸線變換到另一種傳輸線的過渡元件，稱為波型轉(zhuǎn)換器，也稱為波型激勵(lì)器。對波型轉(zhuǎn)換器的要求是：(1)能激勵(lì)出所需要的波型;(2)駐波系數(shù)盡量小。

　　為實(shí)現(xiàn)寬頻帶內(nèi)良好的阻抗匹配，目前廣泛使用的寬頻帶同軸—矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器，主要有兩種形式，探針式和脊波導(dǎo)過渡式。探針式，即將插入波導(dǎo)腔的同軸線內(nèi)導(dǎo)體頂部連接上金屬圓盤或球，以及在波導(dǎo)腔上設(shè)置若干調(diào)諧螺釘。脊波導(dǎo)過渡式，通過在波導(dǎo)中加脊片，組成階梯阻抗變換器，使脊波導(dǎo)的輸出阻抗接近同軸線的特性阻抗，以達(dá)到阻抗匹配的目的。

　　在這些技術(shù)中，為降低成本，采用SMA同軸連接器接頭一般為標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品，其介質(zhì)、內(nèi)外徑都是確定的。這種結(jié)構(gòu)帶來兩方面的問題：(1)SMA接頭只能在單模工作在一定頻率(18GHz)以下,在更高頻率時(shí)SMA接頭中的高次模將嚴(yán)重影響轉(zhuǎn)換器的工作帶寬，如果采用其它工作頻率更高的標(biāo)準(zhǔn)接頭，如K接頭，其價(jià)格高出SMA接頭許多，將大大提高成本;(2)轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)參數(shù)比較少，不易做到匹配。

　　2 探針型同軸—矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

　　相比于脊波導(dǎo)過渡式轉(zhuǎn)換器，探針型轉(zhuǎn)換器具有頻帶寬、易加工的優(yōu)點(diǎn)，故本文只在針對這種形式的轉(zhuǎn)換器做討論。探針式同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器是將同軸線的內(nèi)導(dǎo)體做成探針的形式從波導(dǎo)的寬邊插入到波導(dǎo)腔中，在探針頂部加一圓盤或小球，波導(dǎo)一端口短路，另一端口輸出。在波導(dǎo)腔內(nèi)加若干調(diào)諧螺釘。

　　通過調(diào)整下列三個(gè)尺寸來達(dá)到同軸—矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器在工作頻帶內(nèi)有較好的匹配：(1)探針到短路端的距離i;(2)探針的長度f;(3)探針頂部圓盤的厚度h和直徑g;(4)調(diào)諧螺釘?shù)奈恢谩?/p>

　　圖1 探針式同軸—矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

　　如上圖所示，標(biāo)準(zhǔn)的SMA接頭其外徑mm，內(nèi)徑mm，而介質(zhì)的相對介電常數(shù)　。其截止頻率大概在18GHz左右。

　　本文設(shè)計(jì)了一個(gè)從波導(dǎo)型號為BJ220的標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)口到內(nèi)外徑為1.3mm和4.1mm的同軸線的探針型轉(zhuǎn)接器。標(biāo)準(zhǔn)波導(dǎo)BJ220的工作頻率為17.6—26.7GHz,其范圍已經(jīng)超過SMA接頭的工作頻率范圍。通過軟件仿真，其最優(yōu)結(jié)果如圖2所示。

　　圖2 SMA—BJ220轉(zhuǎn)換器仿真曲線

　　從圖2可以看出，由于轉(zhuǎn)接器的工作頻段超過SMA接頭的工作頻率，同軸接頭內(nèi)部產(chǎn)生的高次模，高次模在25.9GHz和28.1GHz產(chǎn)生諧振尖峰，導(dǎo)致轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)急劇增大。

　　3 改進(jìn)后的同軸—波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

　　為克服上述問題，本文特在以前的探針型轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上提出一些改進(jìn)。同軸線的截止頻率為

，當(dāng)縮小外徑b和介質(zhì)的相對介電常數(shù)時(shí)，其截止頻率會(huì)明顯提高。故在SMA接頭與波導(dǎo)腔之間添加一過渡階段，即在腔體上壁插入SMA接頭處開一圓孔，該空的直徑小于SMA的外徑，其內(nèi)部為空氣填充。

　　圖3 改進(jìn)后的同軸—矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器

　　表1給出了經(jīng)優(yōu)化后的同軸—矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)。

表1 轉(zhuǎn)換器的結(jié)構(gòu)參數(shù)

　　　　其仿真曲線如圖所示

　　圖4 改進(jìn)后SMA—BJ220轉(zhuǎn)換器的仿真曲線

　　由圖4的仿真曲線可以看出，在標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)BJ220工作的頻帶范圍17.6—26.7GHz內(nèi)，轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)在-27dB以下，即駐波系數(shù)小于1.05。并且由于過渡圓孔的抑制作用，由高次模產(chǎn)生的諧振尖峰也被提高到35.6GHz，移出了轉(zhuǎn)接器的工作頻帶。故通過這種改進(jìn)，SMA接頭認(rèn)可運(yùn)用于高于18GHz的場合。

　　由圖5可見，經(jīng)改進(jìn)后的SMA—BJ220轉(zhuǎn)換器的實(shí)際性能指標(biāo)為：轉(zhuǎn)換器反射系數(shù)在-15dB以下的工作頻帶被拓展到17.6—31.6GHz;在波導(dǎo)BJ220單模傳輸工作的頻帶范圍17.6—26.7GHz內(nèi)，其反射系數(shù)為-16dB以下;通過過渡圓孔的抑制作用，諧振尖峰被提高到了32.3GHz。在通帶內(nèi)的反射系數(shù)，仿真曲線和實(shí)際測量曲線存在一定差異，其主要原因在于該轉(zhuǎn)換器體積只有24.3*22.4*22.4，加工時(shí)相對誤差較大;以及在仿真過程中，并未考慮SMA接頭自身在連接時(shí)的微波反射。

　　圖6 改進(jìn)后SMA—BJ220轉(zhuǎn)換器的實(shí)測曲線

　　4 結(jié)論

　　本文介紹了我們在對從同軸線到矩形波導(dǎo)之間波型變換做的一些研究。同軸—矩形波導(dǎo)轉(zhuǎn)換器目前已廣泛應(yīng)用于各個(gè)微波系統(tǒng)，每年的生產(chǎn)、需求量都很大。而通過本文所述技術(shù)，可以采用價(jià)格低廉的SMA接頭來代替其他性能優(yōu)越、價(jià)格昂貴的接頭，從而有效的削減了生產(chǎn)成本。目前，我們正在進(jìn)一步探討這項(xiàng)新技術(shù)及其在大規(guī)模生產(chǎn)方面所面臨的問題。本文所述技術(shù)都申請了專利保護(hù)。