在高頻段下帶SMA接頭的同軸 矩形波導轉(zhuǎn)換器的設(shè)計

　　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，也稱為波型激勵器。對波型轉(zhuǎn)換器的要求是：(1)能激勵出所需要的波型;(2)駐波系數(shù)盡量小。

　　為實現(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—矩形波導轉(zhuǎn)換器，主要有兩種形式，探針式和脊波導過渡式。探針式，即將插入波導腔的同軸線內(nèi)導體頂部連接上金屬圓盤或球，以及在波導腔上設(shè)置若干調(diào)諧螺釘。脊波導過渡式，通過在波導中加脊片，組成階梯阻抗變換器，使脊波導的輸出阻抗接近同軸線的特性阻抗，以達到阻抗匹配的目的。

　　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準產(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SMA接頭中的高次模將嚴重影響轉(zhuǎn)換器的工作帶寬，如果采用其它工作頻率更高的標準接頭，如K接頭，其價格高出SMA接頭許多，將大大提高成本;(2)轉(zhuǎn)換器設(shè)計參數(shù)比較少，不易做到匹配。

　　2 探針型同軸—矩形波導轉(zhuǎn)換器

　　相比于脊波導過渡式轉(zhuǎn)換器，探針型轉(zhuǎn)換器具有頻帶寬、易加工的優(yōu)點，故本文只在針對這種形式的轉(zhuǎn)換器做討論。探針式同軸—波導轉(zhuǎn)換器是將同軸線的內(nèi)導體做成探針的形式從波導的寬邊插入到波導腔中，在探針頂部加一圓盤或小球，波導一端口短路，另一端口輸出。在波導腔內(nèi)加若干調(diào)諧螺釘。

　　通過調(diào)整下列三個尺寸來達到同軸—矩形波導轉(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—矩形波導轉(zhuǎn)換器

　　如上圖所示，標準的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)計了一個從波導型號為BJ220的標準波導口到內(nèi)外徑為1.3mm和4.1mm的同軸線的探針型轉(zhuǎn)接器。標準波導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，導致轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)急劇增大。

　　3 改進后的同軸—波導轉(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。同軸線的截止頻率為

，當縮小外徑b和介質(zhì)的相對介電常數(shù)時，其截止頻率會明顯提高。故在SMA接頭與波導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 改進后的同軸—矩形波導轉(zhuǎn)換器

　　表1給出了經(jīng)優(yōu)化后的同軸—矩形波導轉(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，在標準矩形波導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，SMA接頭認可運用于高于18GHz的場合。

　　由圖5可見，經(jīng)改進后的SMA—BJ220轉(zhuǎn)換器的實際性能指標為：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接頭自身在連接時的微波反射。

　　圖6 改進后SMA—BJ220轉(zhuǎn)換器的實測曲線

　　4 結(jié)論

　　本文介紹了我們在對從同軸線到矩形波導之間波型變換做的一些研究。同軸—矩形波導轉(zhuǎn)換器目前已廣泛應(yīng)用于各個微波系統(tǒng)，每年的生產(chǎn)、需求量都很大。而通過本文所述技術(shù)，可以采用價格低廉的SMA接頭來代替其他性能優(yōu)越、價格昂貴的接頭，從而有效的削減了生產(chǎn)成本。目前，我們正在進一步探討這項新技術(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。