赵建波,刘长春,许晓龙
(中国电子科技集团公司第四十研究所,安徽蚌埠,233010)
射频同轴连接器是一种应用广泛的微波毫米波器件,相对于波导连接器而言,同轴连接器具有频带宽、体积小、重量轻、价格便宜等优点,在国防军工、仪器仪表、移动通信等领域具有广泛的应用。
145GHz同轴连接器频带宽,其频率上限已经进入THz领域,THz波束宽,容易对准,天线系统可以实现小型化、平面化,降低了对准所需要的精度和难度,在遥感和遥测、毫米波雷达、电子侦察、精确制导、星间通信、亚毫米波空间探测与环境监测、测试测量仪器等方面具有广阔的需求背景,是下一代通信的发展方向。现有的同轴连接器产品最高频率只能覆盖到110GHz,无法满足各行业对于THz同轴连接器的需求,因此开展145GHz精密同轴连接器的设计研究具有重要意义。
145GHz同轴连接器的设计目标如表1所示。
表1 145GHz同轴连接器的设计目标
本次设计的连接器最高频率高达145GHz,连接器的电性能指标对阻抗不连续的变化异常敏感,对零件的尺寸精度要求高,在如此宽的频带内实现阻抗匹配的难度非常大。同时,为了支撑和固定内导体,145GHz同轴连接器在设计时同样需要引入介质支撑,介质支撑的引入会导致传输线变得不均匀,如果设计不当,会产生严重的反射,甚至会激发出高次模,导致设计失败。因此,如何在超高频带内实现传输线的精确设计是145GHz同轴连接器的关键所在,难点总结如下:
难点1:频带宽,工作频率高达145GHz,实现整个频段内阻抗匹配难度大。
难点2:介质支撑不仅要有足够的强度,还必须进行合理的补偿结构设计,在超宽带频率范围内尽量较小反射,设计难度大。
难点3:工作频段高,对零件精度要求高,在兼顾微波性能和成本的前提下,容差设计计算量大,设计难度高。
介质支撑是145GHz同轴连接器的核心部件,在设计时需要遵循以下几个原则:保证电性能的前提下必须有足够的强度;介质支撑的材料介电常数要尽可能的小;介质支撑的结构必须具有良好的可加工性。
在介质支撑介入位置会引发阻抗的不连续,相当于在此位置引入了一个不连续电容,工程上常用的方法通过共面补偿进行消除,同时为降低介质支撑的等效介电常数,保证连接器的带宽,需要在介质撑端面进行周期性打孔处理。
图1 介质支撑回波损耗仿真曲线
本次设计我们采用介电常数较小的工程塑料来设计介质支撑。通过软件仿真来优化介质支撑的各尺寸,从而将不连续电容降到最低,保证介质支撑在整个频段内尽量匹配。介质支撑的仿真结果如图2、图3所示,通过仿真优化,介质支撑的回波损耗在-40dB以下。
为了保证同轴连接器的阴阳内导体接触良好,阴头内导体上一般需要设计弹性结构,常用的结构主要有开槽结构和阴头内导体内嵌弹簧爪结构。145GHz同轴连接器的直径仅有0.348mm,内嵌弹簧爪结构无法实现,因此阴头内导体采用开槽结构。综合考虑现有的加工手段和加工难度,将阴头内导体设计为双槽结构,如图2所示。在HFSS中建立仿真模型,双槽结构对回波的影响如图3所示,从图中可以看出,双槽结构对回波损耗影响较小,在可接受的范围内。
图2 双槽结构示意图
图3 开双槽结构仿真曲线
同轴连接器互连时,理论上互连的阴阳连接器的内导体之间应该没有间隙存在,即G=0mm。事实上,理想状态是无法实现的,为了保证互连时连接器内导体不会损坏被测件,内导体端面与电气基准面之间通常设计一个很小的负公差,接触间隙的存在,使连接端口的特征阻抗匹配恶化,增大了连接端口的反射系数,影响测量精度。通常间隙对驻波比的影响可以通过式1进行计算:
式中,S为驻波比;F为频率;G为空气间隙宽度;d为内导体外径;N为开槽数量;w为开槽宽度;dg为插针直径。
针对不同的间隙和槽宽组合,采用HFSS软件进行仿真分析,仿真结果如图4所示。从图中可以看出,当间隙G=0.05mm时,回波曲线恶化严重,没有足够的设计余量,因此要求G<0.05mm,即内导体端面距离电气基准面的公差(g)应该控制在-0.025mm~0之间。
图4 不同间隙的仿真曲线
对于同轴连接器而言,横截面上中心导体相对于外导体的同心度偏差是一个很重要的指标,同心度偏差会引起连接器特性阻抗的变化。设e为中心内导体和外导体内孔中心轴线的同心度偏差,如图5所示,内外导体同心度e引起的特性阻抗偏差为:
图5 传输线偏心示意图
在通常情况下,引发同心度偏差的原因,一方面是由于内外导体的形状偏差和装配偏差引起的,另一方面是由于介质支撑的介入引起的。安装介质支撑的台阶结构,在实际加工过程中,由于刀尖的磨损,在台阶根部并不是标准的直角,而是会产生一个微小的过渡圆角。根部圆角的大小与内导体台阶高度接近,会导致阻抗补偿设计失败,还会引起内外导体同心度恶化。
因此,在设计时不仅要严格控制零件的尺寸和形状误差,加工过程中也要对内导体的根部圆角进行动态监控,保证内导体的台阶根部圆角在可接受的范围内。
在DC~110GHz频段内,通过搭建110GHz同轴测试平台测试,在110GHz~145GHz频段内,通过110GHz~170GHz太赫兹测试系统进行测试。在DC~110GHz频段内,回波损耗22dB,插入损耗0.28dB,在110GHz~145GHz频段内,回波损耗18.9dB,插入损耗0.36dB,满足表1中连接器的设计目标。具体测试曲线如图6和图7所示。
图6 DC~110GHz频段测试曲线
图7 110GHz~145GHz频段测试曲线
本文通过理论计算和仿真方法,分析了介质支撑、内导体开槽、内导体间隙以及内导体根部圆角对145GHz同轴连接器传输线的影响,在此基础上设计完成145GHz同轴连接器。如图8、图9所示。连接器经实测,回波损耗小于15dB,插入损耗小于0.6dB,满足设计目标,证明理论和放着相结合的设计方法的有效性,值得其他高频产品设计时进行借鉴。同时145GHz同轴连接器的研发为我国THz领域产品的开发打下了良好的基础。
图8 145GHz同轴连接器实物
图9 太赫兹测试系统