PJ7-Ⅱ型无支撑微波同轴匹配负载探索与研发

茹世祥，王召稳

（1.山西省新技术推广中心，山西太原030002;2.山西杏花村汾酒厂股份有限公司，山西汾阳， 032205）

1 技术领域

本技术属微波测量技术领域，具体应用在PJ7微波同轴测试系统校准过程中，替代PJ7微波标准同轴匹配负载，其适应频率范围0～18 GHZ。

2 背景技术

作为系统校准用的匹配负载承受功率较小，一般小于0.2 W，其主要电气指标就是驻波比在整个工作频率范围内平坦分布且愈接近于1愈好。

2.1 传统小功率匹配负载的结构

传统小功率匹配负载是两端口器件，传统结构如附图1所示，其结构包括:带有PJ7标准同轴接头的外导体（1）、铜螺钉（2）、调配螺钉（3）、绝缘子（4）、铜螺母（5）、带有指数曲线的外导体（6）、超高频电阻（7）、弹性接头（8）、锁紧螺母（9），共九个零部件。

2.2 匹配负载用于校准测试系统

用匹配负载去校准测试系统是比较准确的，且实用直观方便，故在同轴微波测试系统中得到广泛应用。

2.3 传统匹配负载结构的缺陷［3］

传统匹配负载的结构存在一些缺陷，主要集中在内外导体之间的不连续性:因PJ7同轴系统内外导体尺寸较小，外导体内径为Φ7，内导体外径为Φ3.04，若内外导体不同心，即造成阻抗的偏差，引起驻波系数的增加;由于内外导体的绝缘支撑，使内外导体均有切槽补偿，即造成阻抗的不连续，使驻波系数进一步增大，不连续同时也带来了频率特性的恶化，致使某个频段驻波系数减小，另一个频段驻波系数显著增大，驻波系数的不均匀对传导是很不利的;由于内导体接头必须夹在超高频电阻的前端，势必使内导体外径加大，与此相应的外导体又要有切槽补偿，这又造成内外导体突变，因为有突变存在，就会改变频率特性，使某些频率点上驻波系数变大;内外导体之间加上微调螺钉，相当于内外导体之间人为地引入微小的突变，这种突变是有频率特性的，也能引起某段频上驻波系数增大;指数曲线与外导体分离，又带来装配的不同心度误差，这也增加了驻波系数的幅度。

图1 传统PJ7微波标准同轴匹配负载示意图

3 研发内容

针对上述驻波系数恶化的主要因素，在做了大量的探索试制后进行了实验工作，最终研制出一种无绝缘支撑的匹配负载。其结构如附图2所示。

3.1 结构调整

首先去掉支撑内外导体的前端绝缘子，外导体的内径和内导体的外径就不需要加切槽补偿了，即完全消除了因绝缘支撑引起的不连续性;其次PJ7平面接头的内导体直接用超高频电阻前端的银电极替代，这就完全消除了内导体与超高频电阻夹接的不连续，有利于全频段的驻波性能;再之将指数曲线段外导体与接头外导体设计成一体，这就消除了外导体加工装配的不同心度误差，使内外导体处于连续变化状态下，进一步降低了驻波系数的幅度。

3.2 精度保证

弹性夹头夹住超高频电阻后端的银电极，作为一个组件装入外导体后部，并用锁紧螺母固定在外导体上，使外导体和超高频电阻形成牢固的一体，其同心度，超高频电阻吸收段与指数曲线段的相对位置和超高频电阻前端银电极与外导体的相对位置是靠零件加工精度保证的;由于指数曲线外导体的铜材和内导体的三氧化二铝陶瓷材料热膨胀系数的差异，致使温度的变化会影响内外导体的相对位置，整个装配过程应在匹配负载工作温度范围内的最低温度下进行，确保PJ7接头的内导体不长于外导体。在装配过程中应使用装夹具来确保装配的精度。

3.3 关键元件

开发本新型元件技术方案中最关键的零件就是超高频电阻的制作，随着技术的进步，真空溅射和数控加工工艺的日臻成熟，按图纸加工超高频电阻是可行的，确保其电阻精度、温度特性，频率特性和银电极的长度及牢固性。采取上述措施后，使匹配负载的长度减小了，仅有20 mm长。

3.4 标准负载的连接

当精密PJ7平面接头对接时，其中一个接头使用外导体定位段，而另一个接头使用连接螺母，同时可互换使用，但在本新型技术方案中为了减少零件数目和缩短整体长度，对接时只使用匹配负载的外导体定位段和对接件的连接螺母。

4 具体实施方式

该种新型元件PJ7-Ⅱ型无支撑微波同轴匹配负载（见图2），其前端无绝缘子支撑，结构由外导体（1）、超高频电阻（2）、弹性夹头（3）和锁紧螺母（4）组成。先将超高频电阻（2）按图装入弹性夹头（3）中，然后将这个组件借助于夹具装入外导体（1）中，最后用锁紧螺母（4）固定，使超高频电阻（2）和夹头（3）与外导体（1）固定成一整体，其同心度及内外导体相对位置是靠零件加工精度和装配夹具来保证。这就在0～18 GHZ频率范围内明显提高了同轴匹配负载的驻波性能。现代真空溅射和数控加工工艺的日臻成熟，可以准确制造50 Ω超高频标准电阻，其均匀度和温度系数指标均可达到设计要求，使该匹配负载工作温度范围很宽，本新型结构紧凑而简洁，能方便接到PJ7微波同轴测试系统上，可作为计量测试系统的标准匹配负载使用。

图2 PJ7-Ⅱ型无支撑微波同轴匹配负载示意图

5 实验结果

下表充分说明PJ7-Ⅱ型无支撑微波同轴匹配负载具有良好的驻波性能，实验中使用HP公司和GR公司的精密测量线，具体数据对比如下:

性能类型频率（GHZ）电压驻波比（VSWR）PJ7-Ⅱ型无支撑微波同轴匹配负载（0.5W）传统匹配负载（0.5W）1# 2# 3# 合格范围 4#合格范围1 1.02 1.02 1.02 1.01 2 1.02 1.01 10.3 1.01 3 1.02 1.01 1.03 1.03 4 1.03 1.02 1.04 1.02 5 1.02 1.03 1.03 1.03 6 1.03 1.04 1.03 1.03 7 1.04 1.04 1.03 1.04 8 1.04 1.05 1.06 1.05 9 1.04 1.04 1.06 1.05 10 1.03 1.03 1.05 1.05 1.03 1.08 11 1.03 1.03 1.05 1.02 12 1.03 1.03 1.04 1.05 13 1.04 1.04 1.04 1.05 14 1.04 1.03 1.05 1.06 15 1.05 1.04 1.05 1.07 16 1.04 1.04 1.06 1.07 17 1.04 1.05 1.06 1.06 18 1.05 1.05 1.06 1.06

从实测数据表中不难看出传统带有微调螺钉的匹配负载在各个频率点上的驻波系数均在给定技术合格范围之内，同时也验证了所使用精密PJ7测量线的频率特性是良好的，所测试的PJ7-Ⅱ型无支撑微波同轴匹配负载1#和2#的电压驻波比均在给定技术合格范围内，但3#超出了给定的驻波比合格范围，更换了3#的个别零件，进行重装，其电压驻波比也在合格的范围内。

6 结束语

PJ7-Ⅱ型无支撑微波同轴匹配负载通过对现有技术方案的重新设计，较大地提高了电压驻波比的性能，由于删去了前端支撑绝缘子，指数曲线段直接做在外导体上及将内导体与超高频电阻制成一体，进一步减小了匹配负载内外导体不连续性，同时也明显地缩短了长度尺寸，使电压驻波比在全频段内小于1.05，完全符合微波测量系统的标准，若加工精度再进行提高，有望达到全频段内电压驻波比小于1.02，性能得到极大提高。