基于TDR的SMP-CPW传输线转接结构研究

2018-07-05杜江坤李晓明

无线电通信技术 2018年4期

杜江坤，李晓明

(1．中华通信系统有限责任公司河北分公司，河北石家庄 050081；2．中国电子科技集团公司第五十四研究所，河北石家庄 050081)

0 引言

随着微波电路集成化、小型化、阵列化的发展趋势，印制板的板间互联被广泛使用。性能优良、高效、可靠的射频互联方案，是影响整个系统指标的关键因素之一。SMP转接器作为高密盲插的常用接插件，可大大降低阵列系统装配、维修难度，提高可靠性。与传统电缆连接方式相比，SMP盲插可大幅改善通道间一致性。但是这种转接器结构复杂，寄生参量较多，同时同轴连接器到平面传输线的过渡处理不当会造成严重的阻抗不匹配。如果同轴连接器的轴心与传输线在同一个平面上，同轴连接器到平面传输线的过渡对阻抗的影响相对较小，但是在很多阵列化高密盲插的应用中往往需要同轴转接器与平面传输线电路垂直过渡，以实现电路的立体布局[1]。

以往对同轴转接器-平面传输线过渡结构的研究方法包括准静态法[2]、模式匹配法[3]、钜量法[4]以及其他全波仿真方法等[5]。时域反射测量计(Time-Domain Reflectometry,TDR)是一种经典的微波测量仪器，在微波测量中可得到阻抗不连续点的位置信息和阻抗信息[6]，将这一概念引入电磁仿真中可获得关于不连续结构更为详细、直观的信息[7]，同时也可以更有针对性的对结构作出优化。

1 TDR工作原理

TDR通过脉冲产生器向被测件发送脉冲信号，遇到阻抗不匹配就会产生反射信号，通过接收到反射信号的时间来确定不连续阻抗的位置xd[8-9]，如式(1)所示:

xd=(vp×t)/2，

(1)

式中，xd为阻抗不连续处距离信号源的距离，vp为信号传播速度，t为信号往返的时间。

反射回来的脉冲波形包含了不连续处阻抗的特性[10]。反射系数Γ与终端负载阻抗ZL的关系如式(2)所示，反射系数包含了负载阻抗的所有信息，可以通过Γ反推ZL[11-12]。

(2)

式中，Z0为不连续点前的特性阻抗，ZL为不连续点后的特性阻抗，ZL/Z0为归一化的负载阻抗[13-14]。

利用时域反射计可以快速得到阻抗不连续的位置和特性，从而对其做出有针对性的优化[15-16]。

2 SMP连接器结构分析

SMP-JFD6-L是一种典型的SMP型直角弯折型插座，不失一般性本文选用SMP-JFD6-L进行分析。

SMP-JFD6-L连接器的内部结构复杂，内部导体不是均匀的50 Ω阻抗结构。图1为内导体结构示意图，可以看出，SMP-JFD6-L插座的内导体存在阶梯不连续和直角弯折结构。显然，内导体在阶梯处和90°直角弯折处的阻抗是不连续的。

按SMP-JFD6-L插座的内外部导体尺寸对其进行建模，模型如图2所示。

图1 SMP-JFD6-L内部导体图

图2 SMP-JFD6-L模型

3 SMP-CPW传输线转接结构TDR仿真

CPW传输线在邻线隔离度和系统集成度提高方面具有极大的优势，能够提供尽可能好的电磁兼容性能，是小型化、高集成度系统常用的平面传输线[17-18]。同时共面波导传输线和SMP-JFD6-L的结构、尺寸有良好的兼容性，所以本文传输线采用CPW结构。采用两只SMP插座背靠背的安装方式，以方便后期测试。SMP-JFD6-L插座的常规装配结构如图3(a)所示，使用共面波导传输线的SMP-JFD6-L接头背靠背安装模型如图3(b)所示。模型中所选用的微波板材为CLTE-XT，介电常数2.94，介质厚度0.254 mm。在仿真中，设置Solution Type为Transient，输入信号选择TDR，材质设置为无耗，脉冲上升时间为43.8 ps。

图3 SMP-JFD6-L装配结构及仿真结果

对背靠背安装的SMP-JFD6-L接头-共面波导传输线转换模型进行TDR仿真，结果如图3(c)所示，由TDR曲线可以看出，在138.7 ps和309.7 ps处存在两个明显的低阻区。经计算，两个低阻区分别位于图3(b)中两个SMP-共面波导转接处，说明转接处的不连续结构整体呈容性。

4 SMP-CPW传输线结构优化及仿真

4.1 SMP-CPW传输线转换优化

依据上述TDR仿真结果，通过阻抗分析，在同轴到平面传输线转换处遵循就近匹配原则进行感性补偿。首先将插座下方中心管脚周围接地平面去除，以减小并联电容。其次将转接处的共面波导传输线缩短，以进行感性补偿。优化改进后的装配结构如图4所示。

图4 SMP-JFD6-L改进装配结构

4.2 仿真结果

优化后仿真结果如图5所示。可以看出沿传输线方向的特性阻抗波动很小，并且在50 Ω阻抗上下波动基本达到平衡状态，说明SMP-CPW传输线转换结构达到良好匹配。

图5 用TDR对特性阻抗仿真结果

对优化后的模型进行频域仿真，结果如图6所示。可见经过优化后的模型在10 GHz以内回波损耗大于25 dB，取得优良的射频性能。

图6 频域仿真结果

5 实物加工及测试结果

选用0.254 mm厚CLTE-XT的微波板材，制作背靠背SMP-CPW转接结构。加工出的实物如图7所示。使用安捷伦公司的矢量网络分析仪PNA-X(校准件85052D)对其进行测试，测试结果如图8所示。

图7 实物图

图8 测试结果

由图8可以看出，在10 GHz以内回波损耗最差约为20.89 dB。测试结果与仿真结果有较好的一致性，实现了SMP-CPW转接结构的优化。TDR仿真的优势在于能够精确地定位不连续阻抗的位置和阻抗特性，使得设计师在微波电路设计过程中能够有针对性地采取匹配措施，减少设计中的盲目性。

6 结束语

本文利用TDR仿真，对SMP-CPW传输线转换结构进行了优化匹配，得到了良好的射频性能。此方法及思路也可应用于其他阻抗匹配的场合，TDR仿真方法的运用能够显著降低微波电路设计师在匹配结构设计、优化上的工作量，有较好的可推广性和适用性。

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