小型化SMP射频同轴匹配负载的设计与研究

刘长春，张陶陶，朱伟峰，许延峰

（1.中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233000；2.中电科仪器仪表有限公司，山东青岛，266555）

1 引言

射频同轴匹配负载是一种微波无源单端口器件，在无线电设备、电子仪器以及各种微波装备中应用广泛，通常作为整机或系统的输出端口，用于实现阻抗匹配和承受功率。射频同轴匹配负载的工作原理为：使用电阻吸收传输通道中的微波能量，将电磁能转换为热能。

将负载连接在空置的测试端口，既保证了信号的阻抗匹配，又大大地减少了空置端口信号泄漏和系统间的相互干扰，是射频传输系统的重要组成部分之一。近年来，整机和系统正在向小型化、轻量化的方向发展，对部件小型化提出了越来越高的要求。

2 射频同轴匹配负载设计原理

2.1 同轴传输线原理

与射频同轴连接器一样，射频同轴匹配负载的连接器部分设计原理为同轴传输线基本原理。在理想导体条件下，均匀同轴传输线的特性阻抗为：

式中，Z0为同轴传输线特性阻抗；

D为同轴线外导体内径；

d为同轴线内导体外径；

εr为介质撑介电常数。

2.2 介质撑补偿原理

介质撑的主要作用是对内导体、外导体提供物理支撑，同时也保证内、外导体之间的同轴度。由于引入介质撑，外导体、内导体与同轴传输线之间会产生阶梯，必然会引入不连续电容，如图1所示。

图1 内、外导体同时突变结构

为尽量减小在工作频率范围的反射，需要对引入介质撑产生的不连续电容作补偿。同轴传输线不连续性的补偿结构可以等效为一段高阻传输线，补偿效果取决于高阻传输线的特性阻抗Z和传输线长度L，其等效电路模型如图2所示，图中C为不连续电容。

图2 补偿结构的等效电路模型

2.3 分布参数衰减片设计原理

衰减片主要有集总参数和分布参数两大类衰减片，其中分布参数衰减片具有良好的频响特性。衰减电路又分为∏型和T型电阻衰减网络，∏型衰减网络接地容易，电阻可以集成，能减小频率升高时分布参数对性能的影响，如下图所示。

图3 ∏型衰减网络

对于∏型同阻式衰减网络，Z1＝Z2＝Z0，即R1＝R2，所以R1和R2的值可以用下式表示：

式中，Z0为特性阻抗；

A为衰减量；

R1和R2为并联电阻；

R3为串联电阻。

确定衰减片串联电阻和并联电阻后，可以通过磁控溅射、化学刻蚀等方法将薄膜电阻做在陶瓷片基材上，再通过热氧化调阻的方法，来调整薄膜电阻的方阻，从而调整到所需要的特性阻抗。

3 小型化SMP负载的仿真设计

3.1 负载指标要求

根据以上的原理分析，设计了一种小型化的SMP射频同轴匹配负载，其技术指标要求如下：

频率范围：DC～18GHz

最大驻波比：≤1.25

端口形式：SMP阴头

外形尺寸：≤7.5mm×Φ3.5mm

平均功率容量：0.5W

3.2 介质撑仿真设计

介质撑采用抗环境特性好、介电常数小的聚四氟乙烯材料。为了方便介质支撑的固定，选择内、外导体同时突变的介质撑结构方案；同时采用台阶结构对传输线的不连续性进行补偿。

使用高频结构仿真软件HFSS对介质撑、内导体和外导体进行建模，然后对介质撑进行仿真优化，最终结果如图4所示。从图中可以看出，在DC～18GHz频率范围内，介质撑的最大驻波比小于1.03，满足设计要求。

图4 介质撑的驻波比仿真曲线

3.3 负载片仿真设计

根据分布参数衰减片设计原理，设计负载的负载片如图5所示。使用高频结构仿真软件HFSS对负载片进行建模，设置负载片基片材料为氧化铝陶瓷片，然后调整负载片上各部分尺寸，对负载片进行仿真优化。

图5 负载片示意图

仿真优化结果如图6所示，可以看出，在DC～18GHz频率范围内驻波比小于1.05，满足设计要求。

图6 负载片最大驻波比仿真曲线

3.4 负载整体微波性能仿真设计

当介质撑、负载片仿真完成之后，使用HFSS软件建立负载的整体仿真模型并进行仿真优化。仿真优化结果如图7所示，从图中可以看出，负载的最大驻波比小于1.07，设计指标优良，满足设计要求。

图7 驻波比仿真曲线

4 小型化SMP负载结构设计

负载主要由内导体、外导体、介质撑、负载片、端盖等零件组成，负载的整体结构如图8所示。通过对负载进行小型化设计，满足外形尺寸≤7.5mm×Φ3.5mm的要求。

图8 负载整体结构示意图

负载采用标准SMP插孔接触件连接器的端口形式，介质支撑材料选用聚四氟乙烯；负载的内导体穿过介质撑，装入到外导体中，保证内外导体的同轴度及端口尺寸。

5 实际测试结果

采用中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的矢量网络分析仪AV3672E进行对负载样品测试，结果如图9所示。从图中可以看出，在100MHz～18GHz频率范围内，负载的最大驻波比为1.08。

图9 负载实测曲线

6 结论

本文基于同轴传输线理论和分布参数衰减片原理，设计了一种小型化的SMP射频同轴匹配负载，所设计负载的测试和仿真结果吻合良好，能够满足整机或系统对部件小型化的需求。