同軸微帶轉接模型的電磁特征提取 及傳輸特性優化

孫 遜，解效白，沈洪飛，吳元清

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

同軸微帶轉接模型的電磁特征提取 及傳輸特性優化

孫 遜，解效白，沈洪飛，吳元清

(中國船舶重工集團公司第七二四研究所，南京 211153)

采用全波仿真軟件CST提取了高頻同軸微帶轉接模型的電磁參數。通過引入空氣同軸與線性微帶漸變線兩種補償措施，在5～20 GHz以內改善了轉接模型的傳輸特性。測試結果表明，優化后的轉接模型的傳輸特性得到了改善。

同軸微帶轉接；傳輸特性；優化

Keywords: coaxial-to-microstrip transition; transmission characteristic; optimization

0 引 言

同軸轉微帶是射頻連接模型中最常見的連接方式。同軸線通過內導體針與微帶上表面銅箔連接，外導體與微帶線的地連接。將同軸線傳輸的TEM模式過渡到微帶線傳輸的準TEM模式。過渡處通常用焊錫連接。這會不可避免地引入阻抗不連續性。隨著頻率的不斷提高，這一不連續性對電磁性能的影響越來越顯著，例如導致較大的插入損耗與電壓駐波比等。在接收機低噪放前端降低轉接處的插入損耗和電壓駐波比可以顯著提高系統的接收靈敏度，改善接收機與天線單元或饋源的匹配性能。因此，設計具有良好傳輸特性的同軸轉微帶過渡結構具有重要意義。本文利用CST軟件仿真分析同軸微帶轉接模型的電磁特征，并結合仿真結果設計了一種有效的補償措施。

1 基本理論

1.1 同軸線

同軸線是由兩個圓柱導體構成的導行系統，內導體半徑a，外導體半徑b，兩個圓柱導體之間填充相對介電常數為εr的介質，其特征阻抗可以表達為[1]

(1)

1.2 微帶線

微帶線是一種平面傳輸線，由寬度為w、厚度為t的上表面銅箔，以及相對介電常數為εr、厚度為h的介質和下表面金屬地構成。對于工程中常見的上表面銅箔寬度大于介質板厚度的微帶線，其特征阻抗可以表達為[1]

(2)

其中

(3)

(4)

其中，Δw為考慮在t≠0時銅箔邊緣電容引入的等效寬度增量，εeff為微帶線介質板的有效介電常數。

程序的公開公正是司法權區分于行政權的顯著特點，逮捕審查程序的司法化要遵守程序公開的原則，程序的公開有利于社會的監督，也符合人們對程序正義的要求。貝卡利亞早就指出，“審判應當公開，犯罪的證據應當公開，以便使或許是社會唯一制約手段的輿論能夠約束強力和欲望”。[5]程序的公開是法治國家司法制度的重要的規則。司法實踐中各地的檢察機關采取了不同形式的審查模式，公開聽審，公開聽證，公開審查。他們的共同特點是體現審查逮捕程序的公開性。要貫徹逮捕程序的公開須做好以下的工作。

2 仿真結果

2.1 轉接模型的電磁特征

轉接模型是將同軸線中傳輸的TEM模過渡到微帶線中的準TEM模，其連接方式是用焊錫將同軸線內導體與微帶線上表面銅箔直接連接，如圖1所示。

圖1 同軸線與微帶線的連接方式

同軸線內導體直徑0.39 mm，外導體直徑2.1 mm，其間填充的介質材料相對介電常數εr為4.0。微帶線銅箔線寬0.54 mm，介質板選用的是相對介電常數為3.48、厚度為0.254 mm的Rogers 4350B板材。考慮到實際安裝的需要，同軸內導體針外表面與微帶銅箔上表面留有0.2 mm的間距。整個轉接模型安裝在尺寸為30 mm×20 mm×10 mm(長×寬×高)的屏蔽盒內。圖2為理想情況下此轉接模型仿真的S參數。

當頻率小于12 GHz時，其電磁特性尚優。但是，隨著頻率的逐漸提高，插入損耗與回波損耗迅速惡化。而實際應用中，在考慮與絕緣子連接的SMA接頭等接插件的影響后，傳輸性能會進一步惡化。圖3為20 GHz時轉接模型的電場分布圖，轉接處內導體針與焊錫部分的電場分布比較密集， 這是寄生電容存在的表現。較強的容性使轉接處的特征阻抗小于50 Ω，從而引起阻抗失配。

圖2 轉接模型的S參數

圖3 20 GHz時轉接模型的電場分布圖

由微波網絡理論可知，對于轉接模型這樣一個二端口互易有耗網絡，在某一頻點下該網絡可以等效為如圖4所示的電路，其中并聯電容C表征同軸線、微帶線的分布電容與不連續處引入的寄生電容之和，即

C=C分布+C寄生

(5)

對于理想的轉接模型C寄生=0。圖4中標明了頻率為20 GHz時由S參數擬合的等效電路中各元件數值，其中并聯電容C約為0.11 pF。這里較大的并聯電容是寄生電容存在造成的。

圖4 轉接模型的等效電路

2.2 傳輸特性的優化

2.2.1 空氣同軸的影響

本節利用空氣同軸結構(如圖5所示)來改善傳輸特性。

圖5 空氣同軸結構示意圖

首先，引入空氣同軸為匹配同軸到微帶的突變提供了條件，通過優化空氣同軸的尺寸來補償轉接部分的容性，可以改善傳輸特性。其次，空氣同軸的存在可以抑制裸露內導體針的電磁泄漏，降低腔體諧振的可能性。最后，空氣同軸位于絕緣子的后方，這能夠起到很好的臺階限位作用，增加可靠性。圖6給出了隨不同空氣同軸半徑變化的S參數，可見空氣同軸半徑過小或者過大傳輸特性都會出現明顯的惡化。這是由于其特征阻抗偏離50 Ω較遠造成的。當半徑為0.55 mm時，高頻段的插入損耗明顯降低，整個5～20 GHz頻段內，插入損耗小于0.4 dB，對應的回波損耗位于-15 dB以下。在設定空氣同軸半徑為0.55 mm的前提下，圖7給出了隨不同空氣同軸厚度變化的S參數。由于空氣同軸厚度的變化僅僅影響其電長度，在特征阻抗位于50 Ω左右浮動不大的情況下，其對轉接處傳輸性能的影響并不明顯。

在高頻工作條件下需要考慮阻抗匹配與場匹配。[2]以電場為例，圖8給出了轉接模型中橫截面處于A1-A2，B1-B2，以及C1-C2位置的電場分布圖。這3個位置很好地代表了同軸線中、空氣同軸輸出端口及過渡處的電場分布模式。空氣同軸的存在將同軸線輸出端口處本來比較分散的電場逐漸過渡到中心導體下方，進而匹配到束縛于微帶線銅箔附近的電場分布模式，完成場匹配。此處半徑為0.55 mm的空氣同軸對應特征阻抗為62 Ω，有效補償了轉接處的容性。

圖6 隨空氣同軸半徑變化的S參數

圖7 隨空氣同軸厚度變化的S參數

圖8 轉接模型中電場分布

2.2.2 微帶漸變線的影響

前面所論述對傳輸性能的優化方法集中在轉接處的前端，而轉接處與后端50 Ω微帶線的傳輸突變同樣不能忽視。目前，已經有很多文獻研究了類似轉接結構后端的補償措施，如Kamei T[3]等人通過引入接地共面波導(CPWG)結構來改善不連續性等。這些方法不同程度地增加了制作成本，并且不利于小型化高集成度的要求。下面介紹一種微帶線性漸變線的補償方式(如圖9所示)，用以補償轉接部分到微帶線之間的不連續性。線性漸變線有補償頻帶寬尺寸小易于集成的優點。

圖9 線性漸變線示意圖

對于端接阻抗為Z0負載的線性漸變線，其總反射系數可以表示為[1]

(6)

其中，β為傳播常數，L為漸變線總長度。下面利用軟件仿真計算隨漸變線尺寸變化時轉接模型的傳輸性能。表1為20 GHz處轉接模型優化前后擬合的等效電路參數對比。引入空氣同軸與線性漸變線有效降低了轉接模型中的寄生電容，等效電路中的并聯電容由0.11 pF減小到0.047 pF，寄生電容下降顯然會提高轉接結構的傳輸性能。

圖10給出了隨漸變線長度變化的S21與S11仿真數據。當漸變線長度小于導體針長度時傳輸特性沒有得到明顯改善。隨著漸變線長度的增加，插入損耗的改善并不明顯。但是，這里值得注意的是，線性漸變線的引入有效降低了轉接結構的回波損耗。整個頻段內，對于長度大于2 mm的漸變線，其回波損耗普遍位于-30 dB以下，且長度越長改善越明顯。考慮電路小型化的要求，對于此傳輸模型，當漸變線長度為2 mm時其傳輸性能已滿足要求。

表1 優化前后等效電路參數

圖10 隨微帶漸變線長度變化的S參數

3 測試結果

圖11為按照前述仿真模型制作的待測實物。圖12是優化前后的實測數據。優化后的傳輸特性明顯得到改善。需要強調的是，這里的測試數據沒有完全達到仿真目標，分析其原因主要有以下兩個方面：第1，測試中為了連接測試盒體與矢量網絡分析儀，使用了兩個SMA接插件，此處引入的額外損耗不可忽略；第2，由于尺寸微小，絕緣子導體針安裝過程中很容易偏離空氣同軸中心，偏心絕緣子的特征阻抗不符合50 Ω標準，這會影響傳輸特性，目前考慮在工藝上引入絕緣子夾具并進一步探索改進措施。

圖11 轉接模型實物

圖12 優化前后轉接模型的測試數據對比

4 結束語

本文通過CST仿真軟件提取了高頻同軸微帶轉接模型的電磁特征，并從空氣同軸及微帶漸變線兩方面入手優化了轉接結構的傳輸特性，研究發現空氣同軸半徑為0.55 mm、厚度為1 mm以及微帶漸變線長2 mm時的轉接模型，在5～20 GHz頻段內具有良好的傳輸特性。

[1] David M Pozar.微波工程[M]. 周樂柱, 吳德明, 等譯.北京:電子工業出版社,2006:108-109,123-124.

[2] Gholamreza Askari, Hoda Fadakar，Hamid Mirmohammad-Sadeghi. Analysis, Design and Implementation of a Useful Broadband Coaxial-to-microstrip Transition[M]. PIERS Proceedings, Moscow, Russia, 2012:19-23.

[3] Kamei T, Utsumi Y, Dinh N Q, Thanh N. Wide-band coaxial-to-coplanar transition[J].IEICE Trans. on Electron., 2007, E90-C(10): 2030-2036.

Electromagnetic feature extraction and transmission characteristic optimization of coaxial-to-microstrip transition model

SUN Xun, XIE Xiao-bai, SHEN Hong-fei, WU Yuan-qing

(No.724 Research Institute of CSIC, Nanjing 211153)

TN85

A

1009-0401(2017)03-0047-05

2017-07-01;

2017-07-21

孫遜(1989-)，男，助理工程師，碩士，研究方向：雷達收發技術；解效白(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向：微波射頻電路；沈洪飛(1988-)，男，工程師，碩士，研究方向：微波射頻電路；吳元清(1989-)，女，工程師，碩士，研究方向：雷達收發技術。