同轴微带转接模型的电磁特征提取 及传输特性优化

孙 逊，解效白，沈洪飞，吴元清

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

同轴微带转接模型的电磁特征提取 及传输特性优化

孙 逊，解效白，沈洪飞，吴元清

(中国船舶重工集团公司第七二四研究所，南京 211153)

采用全波仿真软件CST提取了高频同轴微带转接模型的电磁参数。通过引入空气同轴与线性微带渐变线两种补偿措施，在5～20 GHz以内改善了转接模型的传输特性。测试结果表明，优化后的转接模型的传输特性得到了改善。

同轴微带转接；传输特性；优化

Keywords: coaxial-to-microstrip transition; transmission characteristic; optimization

0 引 言

同轴转微带是射频连接模型中最常见的连接方式。同轴线通过内导体针与微带上表面铜箔连接，外导体与微带线的地连接。将同轴线传输的TEM模式过渡到微带线传输的准TEM模式。过渡处通常用焊锡连接。这会不可避免地引入阻抗不连续性。随着频率的不断提高，这一不连续性对电磁性能的影响越来越显著，例如导致较大的插入损耗与电压驻波比等。在接收机低噪放前端降低转接处的插入损耗和电压驻波比可以显著提高系统的接收灵敏度，改善接收机与天线单元或馈源的匹配性能。因此，设计具有良好传输特性的同轴转微带过渡结构具有重要意义。本文利用CST软件仿真分析同轴微带转接模型的电磁特征，并结合仿真结果设计了一种有效的补偿措施。

1 基本理论

1.1 同轴线

同轴线是由两个圆柱导体构成的导行系统，内导体半径a，外导体半径b，两个圆柱导体之间填充相对介电常数为εr的介质，其特征阻抗可以表达为[1]

(1)

1.2 微带线

微带线是一种平面传输线，由宽度为w、厚度为t的上表面铜箔，以及相对介电常数为εr、厚度为h的介质和下表面金属地构成。对于工程中常见的上表面铜箔宽度大于介质板厚度的微带线，其特征阻抗可以表达为[1]

(2)

其中

(3)

(4)

其中，Δw为考虑在t≠0时铜箔边缘电容引入的等效宽度增量，εeff为微带线介质板的有效介电常数。

程序的公开公正是司法权区分于行政权的显著特点，逮捕审查程序的司法化要遵守程序公开的原则，程序的公开有利于社会的监督，也符合人们对程序正义的要求。贝卡利亚早就指出，“审判应当公开，犯罪的证据应当公开，以便使或许是社会唯一制约手段的舆论能够约束强力和欲望”。[5]程序的公开是法治国家司法制度的重要的规则。司法实践中各地的检察机关采取了不同形式的审查模式，公开听审，公开听证，公开审查。他们的共同特点是体现审查逮捕程序的公开性。要贯彻逮捕程序的公开须做好以下的工作。

2 仿真结果

2.1 转接模型的电磁特征

转接模型是将同轴线中传输的TEM模过渡到微带线中的准TEM模，其连接方式是用焊锡将同轴线内导体与微带线上表面铜箔直接连接，如图1所示。

图1 同轴线与微带线的连接方式

同轴线内导体直径0.39 mm，外导体直径2.1 mm，其间填充的介质材料相对介电常数εr为4.0。微带线铜箔线宽0.54 mm，介质板选用的是相对介电常数为3.48、厚度为0.254 mm的Rogers 4350B板材。考虑到实际安装的需要，同轴内导体针外表面与微带铜箔上表面留有0.2 mm的间距。整个转接模型安装在尺寸为30 mm×20 mm×10 mm(长×宽×高)的屏蔽盒内。图2为理想情况下此转接模型仿真的S参数。

当频率小于12 GHz时，其电磁特性尚优。但是，随着频率的逐渐提高，插入损耗与回波损耗迅速恶化。而实际应用中，在考虑与绝缘子连接的SMA接头等接插件的影响后，传输性能会进一步恶化。图3为20 GHz时转接模型的电场分布图，转接处内导体针与焊锡部分的电场分布比较密集， 这是寄生电容存在的表现。较强的容性使转接处的特征阻抗小于50 Ω，从而引起阻抗失配。

图2 转接模型的S参数

图3 20 GHz时转接模型的电场分布图

由微波网络理论可知，对于转接模型这样一个二端口互易有耗网络，在某一频点下该网络可以等效为如图4所示的电路，其中并联电容C表征同轴线、微带线的分布电容与不连续处引入的寄生电容之和，即

C=C分布+C寄生

(5)

对于理想的转接模型C寄生=0。图4中标明了频率为20 GHz时由S参数拟合的等效电路中各元件数值，其中并联电容C约为0.11 pF。这里较大的并联电容是寄生电容存在造成的。

图4 转接模型的等效电路

2.2 传输特性的优化

2.2.1 空气同轴的影响

本节利用空气同轴结构(如图5所示)来改善传输特性。

图5 空气同轴结构示意图

首先，引入空气同轴为匹配同轴到微带的突变提供了条件，通过优化空气同轴的尺寸来补偿转接部分的容性，可以改善传输特性。其次，空气同轴的存在可以抑制裸露内导体针的电磁泄漏，降低腔体谐振的可能性。最后，空气同轴位于绝缘子的后方，这能够起到很好的台阶限位作用，增加可靠性。图6给出了随不同空气同轴半径变化的S参数，可见空气同轴半径过小或者过大传输特性都会出现明显的恶化。这是由于其特征阻抗偏离50 Ω较远造成的。当半径为0.55 mm时，高频段的插入损耗明显降低，整个5～20 GHz频段内，插入损耗小于0.4 dB，对应的回波损耗位于-15 dB以下。在设定空气同轴半径为0.55 mm的前提下，图7给出了随不同空气同轴厚度变化的S参数。由于空气同轴厚度的变化仅仅影响其电长度，在特征阻抗位于50 Ω左右浮动不大的情况下，其对转接处传输性能的影响并不明显。

在高频工作条件下需要考虑阻抗匹配与场匹配。[2]以电场为例，图8给出了转接模型中横截面处于A1-A2，B1-B2，以及C1-C2位置的电场分布图。这3个位置很好地代表了同轴线中、空气同轴输出端口及过渡处的电场分布模式。空气同轴的存在将同轴线输出端口处本来比较分散的电场逐渐过渡到中心导体下方，进而匹配到束缚于微带线铜箔附近的电场分布模式，完成场匹配。此处半径为0.55 mm的空气同轴对应特征阻抗为62 Ω，有效补偿了转接处的容性。

图6 随空气同轴半径变化的S参数

图7 随空气同轴厚度变化的S参数

图8 转接模型中电场分布

2.2.2 微带渐变线的影响

前面所论述对传输性能的优化方法集中在转接处的前端，而转接处与后端50 Ω微带线的传输突变同样不能忽视。目前，已经有很多文献研究了类似转接结构后端的补偿措施，如Kamei T[3]等人通过引入接地共面波导(CPWG)结构来改善不连续性等。这些方法不同程度地增加了制作成本，并且不利于小型化高集成度的要求。下面介绍一种微带线性渐变线的补偿方式(如图9所示)，用以补偿转接部分到微带线之间的不连续性。线性渐变线有补偿频带宽尺寸小易于集成的优点。

图9 线性渐变线示意图

对于端接阻抗为Z0负载的线性渐变线，其总反射系数可以表示为[1]

(6)

其中，β为传播常数，L为渐变线总长度。下面利用软件仿真计算随渐变线尺寸变化时转接模型的传输性能。表1为20 GHz处转接模型优化前后拟合的等效电路参数对比。引入空气同轴与线性渐变线有效降低了转接模型中的寄生电容，等效电路中的并联电容由0.11 pF减小到0.047 pF，寄生电容下降显然会提高转接结构的传输性能。

图10给出了随渐变线长度变化的S21与S11仿真数据。当渐变线长度小于导体针长度时传输特性没有得到明显改善。随着渐变线长度的增加，插入损耗的改善并不明显。但是，这里值得注意的是，线性渐变线的引入有效降低了转接结构的回波损耗。整个频段内，对于长度大于2 mm的渐变线，其回波损耗普遍位于-30 dB以下，且长度越长改善越明显。考虑电路小型化的要求，对于此传输模型，当渐变线长度为2 mm时其传输性能已满足要求。

表1 优化前后等效电路参数

图10 随微带渐变线长度变化的S参数

3 测试结果

图11为按照前述仿真模型制作的待测实物。图12是优化前后的实测数据。优化后的传输特性明显得到改善。需要强调的是，这里的测试数据没有完全达到仿真目标，分析其原因主要有以下两个方面：第1，测试中为了连接测试盒体与矢量网络分析仪，使用了两个SMA接插件，此处引入的额外损耗不可忽略；第2，由于尺寸微小，绝缘子导体针安装过程中很容易偏离空气同轴中心，偏心绝缘子的特征阻抗不符合50 Ω标准，这会影响传输特性，目前考虑在工艺上引入绝缘子夹具并进一步探索改进措施。

图11 转接模型实物

图12 优化前后转接模型的测试数据对比

4 结束语

本文通过CST仿真软件提取了高频同轴微带转接模型的电磁特征，并从空气同轴及微带渐变线两方面入手优化了转接结构的传输特性，研究发现空气同轴半径为0.55 mm、厚度为1 mm以及微带渐变线长2 mm时的转接模型，在5～20 GHz频段内具有良好的传输特性。

[1] David M Pozar.微波工程[M]. 周乐柱, 吴德明, 等译.北京:电子工业出版社,2006:108-109,123-124.

[2] Gholamreza Askari, Hoda Fadakar，Hamid Mirmohammad-Sadeghi. Analysis, Design and Implementation of a Useful Broadband Coaxial-to-microstrip Transition[M]. PIERS Proceedings, Moscow, Russia, 2012:19-23.

[3] Kamei T, Utsumi Y, Dinh N Q, Thanh N. Wide-band coaxial-to-coplanar transition[J].IEICE Trans. on Electron., 2007, E90-C(10): 2030-2036.

Electromagnetic feature extraction and transmission characteristic optimization of coaxial-to-microstrip transition model

SUN Xun, XIE Xiao-bai, SHEN Hong-fei, WU Yuan-qing

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN85

A

1009-0401(2017)03-0047-05

2017-07-01;

2017-07-21

孙逊(1989-)，男，助理工程师，硕士，研究方向：雷达收发技术；解效白(1988-)，男，工程师，硕士，研究方向：微波射频电路；沈洪飞(1988-)，男，工程师，硕士，研究方向：微波射频电路；吴元清(1989-)，女，工程师，硕士，研究方向：雷达收发技术。