X波段SMP型同轴线滤波连接器的设计

2018-03-20

机电元件 2018年1期

(上海雷迪埃电子有限公司，上海，200072)

1 引言

射频同轴连接器是同轴传输线电气连接的元件。射频滤波器是选择不同频率射频信号的元件，主要功能是抑制不需要的信号，使其不能通过滤波器，让需要的信号通过。随着整机系统的小型化，对同轴射频连接器的要求越来越高，除了小型化，还要多功能化，既起连接作用，又兼有处理信号的功能，如滤波功能等。

这种滤波功能连接器类型有多种，低通滤波器形式是其中常用的一种。它的实现方法也有所不同。其中，插损小且为同轴方式的是经典的糖葫芦式结构。不过，该结构的滤波器频率通带以往都在900MHz、1800MHz或2000MHz左右，工作频率较低。本文所设计的滤波功能与连接器一体化的滤波连接器通带在X波段，输入输出端均为SMP母端接口，设计指标为：通带9～10GHz，通带插损<0.5dB，回波损耗<-15dB，带外抑制：18GHz～20GHz>20dB，20GHz～30GHz>30dB。外形尺寸<Ф4.9mm×17.5mm。

2 设计原理

2.1 低通滤波器设计的基本原理

低通滤波器最基本的原理图就是由电容电感的级联来构成的。图1是其中常用的一种LC并联输入式低通滤波器的原型图，gi为原型滤波器的元件归一化值。图2是将图1具体为7极LC电容输入式滤波器的电原理图。

图1 电容输入式低通LC滤波器原型

图2 7极集总元件低通滤波器

2.2 低通同轴糖葫芦式滤波器的实现

糖葫芦式滤波器是低通滤波器的典型结构，它由同轴线构成的高、低阻抗传输线交替级联组成。用高阻抗线来等效串联电感，用低阻抗线来等效并联电容，通过调整高低阻抗值及其长度可以设计出结构简单、性能良好的低通滤波器。图3是一个典型的7极低通糖葫芦式滤波器的结构。

图3 7极糖葫芦式滤波器结构图

2.3 糖葫芦式滤波连接器的仿真设计

我们所设计的是具有滤波功能的同轴连接器，称它为同轴线滤波连接器，它的输入﹑输出端的阻抗均为50ohm。SMP界面作为连接器输入/输出端口，设计成SMP F-SMP F的对称子弹形，以便用于SMP系列板对板座子之间的连接。

糖葫芦式中心针的初始尺寸按通常切比雪夫低通滤波器原型设计，由于受到尺寸限制最多只能选择7极结构，最终的尺寸要通过后面的整体仿真获得。实际结构的实现是将糖葫芦结构作为中心针装入同轴型腔中，所以必须有支撑部分。为此，将输入﹑输出过渡段内部的绝缘子设计成支撑体，把该特殊形状的中心针从两边支撑起来。另外，同轴外腔体内部与糖葫芦式中心针之间再由一层较薄的绝缘子套隔开。由于滤波连接器整体尺寸长度要求的限制，7极空气介质糖葫芦尺寸仍太长，所以中间填充PTFE介质，以缩短长度。

图4 仿真模型内部结构剖面图

图5 HFSS仿真结果

由于装配的需要，填充的绝缘子采用切口掰开来装配；而且同轴外腔体至少得设计为两体结构。这里的糖葫芦式中心针是对称的，从降低成本角度考虑，同轴外腔体设计为三体对称式。

从输入输出两端的SMP型界面到具有滤波功能的糖葫芦处，这段同轴线既是过渡段又同时兼作支撑段，为固定零件，外腔体内部设计有倒刺，连接处有阶梯突变，使得这部分同轴线的阻抗出现了变化，所以必须整体考虑在仿真之内。同样，作为支撑和填充的绝缘子，其大小﹑形状、精度和材质对糖葫芦结构的射频性能影响也很大，尤其对于滤波通阻带位置。所以，仿真模型是带着前后输入输出端连接部分与糖葫芦结构一起仿真的，并尽量考虑到实际加工的公差。通过整体仿真确定出最终滤波连接器的每个尺寸。图4 为该结构的仿真模型内部结构剖面图。考虑到频域仿真更为合适，选取HFSS软件进行仿真，图5为该结构的HFSS仿真结果。

尽管低通滤波器是容许低于截止频率的信号通过，高于截止频率的信号不能通过的器件。但对于当前这一实例，我们仅需要9～10GHz这部分信号通过信号，低于9GHz的信号是否通过或插损较大我们是不关注的。所以仿真结果是符合我们的设计指标的。

3 设计结果

3.1 实物照片

其实物外形尺寸为Ф4.9mm ×17.2 mm。

图6 所设计的滤波连接器元件实物

3.2 样品测试结果

样品测试在Anritsu 37269D网络分析仪上完成，校准用SMA2.9校准件。按标准Port1为SMA2.9 M, Port2为SMA2.9 F进行全部12项校准，测试连接及测试结果如下：

样品SMPF-SMPF连接方式:多加两个转接器SMA2.9F-SMPM+SMPF-SMPF(DUT)+SMPM-SMA2.9M频率(GHz)9-10GHz(通带)18～30GHz(阻带)实测值带内回波(dB)<-15.6实测值带内插损(dB)﹤0.29(扣除两个转接器)≤0.49(包含两个转接器)实测值带外抑制(dB)<-25.5@18GHz<-30@30GHz

频标对应：Mark1, 8GHz; Mark2, 9.3GHz; Mark3, 10GHz; Mark4, 18GHz; Mark5, 20GHz, Mark6, 30GHz。

其回波损耗、带内插损、带外抑制测试曲线如图7所示：

a.右侧数据表示回波损耗

b.右侧数据表示插损和带外抑制(插损扣除两个转接头)

c.右侧数据表示插损和带外抑制(插损包含两个转接头) 图7 SMA2.9 F-SMP M+ SMP F-SMP F(滤波连接器)+SMP M-SMA2.9 M 测试曲线

结果显示，样品实际测试结果与仿真结果基本吻合，曲线趋势一致。通带、阻带位置和数值也基本一致。样品测试结果符合设计要求。如前所述，为了装配的需要及成本角度考虑，同轴外腔设计为多体结构，实际制作的样品采用了输入输出对称三体结构。但由于零件加工的精度、镀层厚度和装配的误差会使理论与实际值有一些差别，特别糖葫芦式中心针加工的误差造成射频性能偏差加大，尤其是带外抑制的偏差。测试曲线中带外抑制在31GHz上可见有一尖峰，其抑制约为35dB。这是滤波连接器结构中某处有一微小隙缝造成了谐振点。在HFSS仿真曲线中也显示出来，在大约相同频率处有一微小的起伏。然而再加上实际每个零件加工的误差和装配公差等，累计误差使得带外抑制性能更加恶化，尖峰更大。虽然尖峰落在要求指标范围之外，但还是有待以后改进，将其去掉。