在高頻段下帶SMA接頭的同軸矩形波導轉換器的設計

　　1 引言

　　在微波系統中，常使用到一種很普遍的部件，即由一種傳輸線(xiàn)變換到另一種傳輸線(xiàn)的過(guò)渡元件，稱(chēng)為波型轉換器，也稱(chēng)為波型激勵器。對波型轉換器的要求是：(1)能激勵出所需要的波型;(2)駐波系數盡量小。

　　為實(shí)現寬頻帶內良好的阻抗匹配，目前廣泛使用的寬頻帶同軸—矩形波導轉換器，主要有兩種形式，探針式和脊波導過(guò)渡式。探針式，即將插入波導腔的同軸線(xiàn)內導體頂部連接上金屬圓盤(pán)或球，以及在波導腔上設置若干調諧螺釘。脊波導過(guò)渡式，通過(guò)在波導中加脊片，組成階梯阻抗變換器，使脊波導的輸出阻抗接近同軸線(xiàn)的特性阻抗，以達到阻抗匹配的目的。

　　在這些技術(shù)中，為降低成本，采用SMA同軸連接器接頭一般為標準產(chǎn)品，其介質(zhì)、內外徑都是確定的。這種結構帶來(lái)兩方面的問(wèn)題：(1)SMA接頭只能在單模工作在一定頻率(18GHz)以下,在更高頻率時(shí)SMA接頭中的高次模將嚴重影響轉換器的工作帶寬，如果采用其它工作頻率更高的標準接頭，如K接頭，其價(jià)格高出SMA接頭許多，將大大提高成本;(2)轉換器設計參數比較少，不易做到匹配。

　　2 探針型同軸—矩形波導轉換器

　　相比于脊波導過(guò)渡式轉換器，探針型轉換器具有頻帶寬、易加工的優(yōu)點(diǎn)，故本文只在針對這種形式的轉換器做討論。探針式同軸—波導轉換器是將同軸線(xiàn)的內導體做成探針的形式從波導的寬邊插入到波導腔中，在探針頂部加一圓盤(pán)或小球，波導一端口短路，另一端口輸出。在波導腔內加若干調諧螺釘。

　　通過(guò)調整下列三個(gè)尺寸來(lái)達到同軸—矩形波導轉換器在工作頻帶內有較好的匹配：(1)探針到短路端的距離i;(2)探針的長(cháng)度f(wàn);(3)探針頂部圓盤(pán)的厚度h和直徑g;(4)調諧螺釘的位置。

　　圖1 探針式同軸—矩形波導轉換器

　　如上圖所示，標準的SMA接頭其外徑mm，內徑mm，而介質(zhì)的相對介電常數　。其截止頻率大概在18GHz左右。

　　本文設計了一個(gè)從波導型號為BJ220的標準波導口到內外徑為1.3mm和4.1mm的同軸線(xiàn)的探針型轉接器。標準波導BJ220的工作頻率為17.6—26.7GHz,其范圍已經(jīng)超過(guò)SMA接頭的工作頻率范圍。通過(guò)軟件仿真，其最優(yōu)結果如圖2所示。

　　圖2 SMA—BJ220轉換器仿真曲線(xiàn)

　　從圖2可以看出，由于轉接器的工作頻段超過(guò)SMA接頭的工作頻率，同軸接頭內部產(chǎn)生的高次模，高次模在25.9GHz和28.1GHz產(chǎn)生諧振尖峰，導致轉接器的反射系數急劇增大。

　　3 改進(jìn)后的同軸—波導轉換器

　　為克服上述問(wèn)題，本文特在以前的探針型轉換器的結構基礎上提出一些改進(jìn)。同軸線(xiàn)的截止頻率為

，當縮小外徑b和介質(zhì)的相對介電常數時(shí)，其截止頻率會(huì )明顯提高。故在SMA接頭與波導腔之間添加一過(guò)渡階段，即在腔體上壁插入SMA接頭處開(kāi)一圓孔，該空的直徑小于SMA的外徑，其內部為空氣填充。

　　圖3 改進(jìn)后的同軸—矩形波導轉換器

　　表1給出了經(jīng)優(yōu)化后的同軸—矩形波導轉換器的主要結構參數。

表1 轉換器的結構參數

　　　　其仿真曲線(xiàn)如圖所示

　　圖4 改進(jìn)后SMA—BJ220轉換器的仿真曲線(xiàn)

　　由圖4的仿真曲線(xiàn)可以看出，在標準矩形波導BJ220工作的頻帶范圍17.6—26.7GHz內，轉接器的反射系數在-27dB以下，即駐波系數小于1.05。并且由于過(guò)渡圓孔的抑制作用，由高次模產(chǎn)生的諧振尖峰也被提高到35.6GHz，移出了轉接器的工作頻帶。故通過(guò)這種改進(jìn)，SMA接頭認可運用于高于18GHz的場(chǎng)合。

　　由圖5可見(jiàn)，經(jīng)改進(jìn)后的SMA—BJ220轉換器的實(shí)際性能指標為：轉換器反射系數在-15dB以下的工作頻帶被拓展到17.6—31.6GHz;在波導BJ220單模傳輸工作的頻帶范圍17.6—26.7GHz內，其反射系數為-16dB以下;通過(guò)過(guò)渡圓孔的抑制作用，諧振尖峰被提高到了32.3GHz。在通帶內的反射系數，仿真曲線(xiàn)和實(shí)際測量曲線(xiàn)存在一定差異，其主要原因在于該轉換器體積只有24.3*22.4*22.4，加工時(shí)相對誤差較大;以及在仿真過(guò)程中，并未考慮SMA接頭自身在連接時(shí)的微波反射。

　　圖6 改進(jìn)后SMA—BJ220轉換器的實(shí)測曲線(xiàn)

　　4 結論

　　本文介紹了我們在對從同軸線(xiàn)到矩形波導之間波型變換做的一些研究。同軸—矩形波導轉換器目前已廣泛應用于各個(gè)微波系統，每年的生產(chǎn)、需求量都很大。而通過(guò)本文所述技術(shù)，可以采用價(jià)格低廉的SMA接頭來(lái)代替其他性能優(yōu)越、價(jià)格昂貴的接頭，從而有效的削減了生產(chǎn)成本。目前，我們正在進(jìn)一步探討這項新技術(shù)及其在大規模生產(chǎn)方面所面臨的問(wèn)題。本文所述技術(shù)都申請了專(zhuān)利保護。