基于TDR的SMP-CPW傳輸線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)研究

杜江坤，李曉明

(1．中華通信系統(tǒng)有限責(zé)任公司河北分公司，河北 石家莊 050081；2．中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081)

0 引言

隨著微波電路集成化、小型化、陣列化的發(fā)展趨勢，印制板的板間互聯(lián)被廣泛使用。性能優(yōu)良、高效、可靠的射頻互聯(lián)方案，是影響整個系統(tǒng)指標(biāo)的關(guān)鍵因素之一。SMP轉(zhuǎn)接器作為高密盲插的常用接插件，可大大降低陣列系統(tǒng)裝配、維修難度，提高可靠性。與傳統(tǒng)電纜連接方式相比，SMP盲插可大幅改善通道間一致性。但是這種轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，寄生參量較多，同時同軸連接器到平面?zhèn)鬏斁€的過渡處理不當(dāng)會造成嚴(yán)重的阻抗不匹配。如果同軸連接器的軸心與傳輸線在同一個平面上，同軸連接器到平面?zhèn)鬏斁€的過渡對阻抗的影響相對較小，但是在很多陣列化高密盲插的應(yīng)用中往往需要同軸轉(zhuǎn)接器與平面?zhèn)鬏斁€電路垂直過渡，以實(shí)現(xiàn)電路的立體布局[1]。

以往對同軸轉(zhuǎn)接器-平面?zhèn)鬏斁€過渡結(jié)構(gòu)的研究方法包括準(zhǔn)靜態(tài)法[2]、模式匹配法[3]、鉅量法[4]以及其他全波仿真方法等[5]。時域反射測量計(Time-Domain Reflectometry,TDR)是一種經(jīng)典的微波測量儀器，在微波測量中可得到阻抗不連續(xù)點(diǎn)的位置信息和阻抗信息[6]，將這一概念引入電磁仿真中可獲得關(guān)于不連續(xù)結(jié)構(gòu)更為詳細(xì)、直觀的信息[7]，同時也可以更有針對性的對結(jié)構(gòu)作出優(yōu)化。

1 TDR工作原理

TDR通過脈沖產(chǎn)生器向被測件發(fā)送脈沖信號，遇到阻抗不匹配就會產(chǎn)生反射信號，通過接收到反射信號的時間來確定不連續(xù)阻抗的位置xd[8-9]，如式(1)所示:

xd=(vp×t)/2，

(1)

式中，xd為阻抗不連續(xù)處距離信號源的距離，vp為信號傳播速度，t為信號往返的時間。

反射回來的脈沖波形包含了不連續(xù)處阻抗的特性[10]。反射系數(shù)Γ與終端負(fù)載阻抗ZL的關(guān)系如式(2)所示，反射系數(shù)包含了負(fù)載阻抗的所有信息，可以通過Γ反推ZL[11-12]。

(2)

式中，Z0為不連續(xù)點(diǎn)前的特性阻抗，ZL為不連續(xù)點(diǎn)后的特性阻抗，ZL/Z0為歸一化的負(fù)載阻抗[13-14]。

利用時域反射計可以快速得到阻抗不連續(xù)的位置和特性，從而對其做出有針對性的優(yōu)化[15-16]。

2 SMP連接器結(jié)構(gòu)分析

SMP-JFD6-L是一種典型的SMP型直角彎折型插座，不失一般性本文選用SMP-JFD6-L進(jìn)行分析。

SMP-JFD6-L連接器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜，內(nèi)部導(dǎo)體不是均勻的50 Ω阻抗結(jié)構(gòu)。圖1為內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)示意圖，可以看出，SMP-JFD6-L插座的內(nèi)導(dǎo)體存在階梯不連續(xù)和直角彎折結(jié)構(gòu)。顯然，內(nèi)導(dǎo)體在階梯處和90°直角彎折處的阻抗是不連續(xù)的。

按SMP-JFD6-L插座的內(nèi)外部導(dǎo)體尺寸對其進(jìn)行建模，模型如圖2所示。

圖1 SMP-JFD6-L內(nèi)部導(dǎo)體圖

圖2 SMP-JFD6-L模型

3 SMP-CPW傳輸線轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)TDR仿真

CPW傳輸線在鄰線隔離度和系統(tǒng)集成度提高方面具有極大的優(yōu)勢，能夠提供盡可能好的電磁兼容性能，是小型化、高集成度系統(tǒng)常用的平面?zhèn)鬏斁€[17-18]。同時共面波導(dǎo)傳輸線和SMP-JFD6-L的結(jié)構(gòu)、尺寸有良好的兼容性，所以本文傳輸線采用CPW結(jié)構(gòu)。采用兩只SMP插座背靠背的安裝方式，以方便后期測試。SMP-JFD6-L插座的常規(guī)裝配結(jié)構(gòu)如圖3(a)所示，使用共面波導(dǎo)傳輸線的SMP-JFD6-L接頭背靠背安裝模型如圖3(b)所示。模型中所選用的微波板材為CLTE-XT，介電常數(shù)2.94，介質(zhì)厚度0.254 mm。在仿真中，設(shè)置Solution Type為Transient，輸入信號選擇TDR，材質(zhì)設(shè)置為無耗，脈沖上升時間為43.8 ps。

圖3 SMP-JFD6-L裝配結(jié)構(gòu)及仿真結(jié)果

對背靠背安裝的SMP-JFD6-L接頭-共面波導(dǎo)傳輸線轉(zhuǎn)換模型進(jìn)行TDR仿真，結(jié)果如圖3(c)所示，由TDR曲線可以看出，在138.7 ps和309.7 ps處存在兩個明顯的低阻區(qū)。經(jīng)計算，兩個低阻區(qū)分別位于圖3(b)中兩個SMP-共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)接處，說明轉(zhuǎn)接處的不連續(xù)結(jié)構(gòu)整體呈容性。

4 SMP-CPW傳輸線結(jié)構(gòu)優(yōu)化及仿真

4.1 SMP-CPW傳輸線轉(zhuǎn)換優(yōu)化

依據(jù)上述TDR仿真結(jié)果，通過阻抗分析，在同軸到平面?zhèn)鬏斁€轉(zhuǎn)換處遵循就近匹配原則進(jìn)行感性補(bǔ)償。首先將插座下方中心管腳周圍接地平面去除，以減小并聯(lián)電容。其次將轉(zhuǎn)接處的共面波導(dǎo)傳輸線縮短，以進(jìn)行感性補(bǔ)償。優(yōu)化改進(jìn)后的裝配結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 SMP-JFD6-L改進(jìn)裝配結(jié)構(gòu)

4.2 仿真結(jié)果

優(yōu)化后仿真結(jié)果如圖5所示。可以看出沿傳輸線方向的特性阻抗波動很小，并且在50 Ω阻抗上下波動基本達(dá)到平衡狀態(tài)，說明SMP-CPW傳輸線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)達(dá)到良好匹配。

圖5 用TDR對特性阻抗仿真結(jié)果

對優(yōu)化后的模型進(jìn)行頻域仿真，結(jié)果如圖6所示。可見經(jīng)過優(yōu)化后的模型在10 GHz以內(nèi)回波損耗大于25 dB，取得優(yōu)良的射頻性能。

圖6 頻域仿真結(jié)果

5 實(shí)物加工及測試結(jié)果

選用0.254 mm厚CLTE-XT的微波板材，制作背靠背SMP-CPW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)。加工出的實(shí)物如圖7所示。使用安捷倫公司的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀PNA-X(校準(zhǔn)件85052D)對其進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖8所示。

圖7 實(shí)物圖

圖8 測試結(jié)果

由圖8可以看出，在10 GHz以內(nèi)回波損耗最差約為20.89 dB。測試結(jié)果與仿真結(jié)果有較好的一致性，實(shí)現(xiàn)了SMP-CPW轉(zhuǎn)接結(jié)構(gòu)的優(yōu)化。TDR仿真的優(yōu)勢在于能夠精確地定位不連續(xù)阻抗的位置和阻抗特性，使得設(shè)計師在微波電路設(shè)計過程中能夠有針對性地采取匹配措施，減少設(shè)計中的盲目性。

6 結(jié)束語

本文利用TDR仿真，對SMP-CPW傳輸線轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化匹配，得到了良好的射頻性能。此方法及思路也可應(yīng)用于其他阻抗匹配的場合，TDR仿真方法的運(yùn)用能夠顯著降低微波電路設(shè)計師在匹配結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化上的工作量，有較好的可推廣性和適用性。

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