劉伯文，張 偉，崔 平，王 雷

(1.中國電子科技集團公司第五十四研究所，河北 石家莊 050081；2.中國人民解放軍93205部隊，新疆 馬蘭 841700)

0 引言

同軸連接器是微波組件最基本的輸入輸出單元，其裝配要同時具備高可靠性和優(yōu)良的傳輸性能。射頻同軸連接器中絕緣子內(nèi)導體到微帶線轉(zhuǎn)換過渡設計和連接工藝，是保證傳輸性能和可靠性的重要因素[1]。同軸連接器與微帶線等傳輸線實現(xiàn)微波互聯(lián)時需考慮連接過渡的穩(wěn)定性和可靠性等[2-3]。直接焊接和Ω橋搭接是實現(xiàn)微波互聯(lián)的兩種重要方式，前者表現(xiàn)出的性能最為理想[4]，在地面設備中常用。在航空航天等特殊場合中，受溫度和力學等因素的長期影響，直接焊接存在焊點開裂、性能惡化失效等隱患，而Ω橋搭接能有效避免[5]，必要時還可通過點膠加固進一步提高可靠性[6]，故Ω橋搭接更合適。該法可選用的材料有鍍金銅引線、鍍金銅帶。帶狀導體較絲狀導體可靠性更高[7]，直流或低頻信號互聯(lián)一般用鍍金銅引線[8]，高頻、微波信號互聯(lián)則用鍍金銅帶。本文重點研究同軸連接器與微帶間鍍金銅帶的搭接方式對端口特性的影響。

1 基本原理

同軸連接器與微帶間通過鍍金銅帶Ω橋搭接的方式實現(xiàn)微波互聯(lián)，但互聯(lián)會導致連接區(qū)域的阻抗有很大差異[9]。信號傳輸過程中分別經(jīng)過聚四氟乙烯介質(zhì)同軸線、空氣介質(zhì)鍍金銅帶和介質(zhì)微帶線，三部分傳輸線級聯(lián)示意圖如圖1所示。

圖1 鍍金銅帶搭接級聯(lián)示意圖

三部分傳輸線的特性阻抗分別為Z1、Z2和Z3，其中，Z1為同軸線的特性阻抗，Z2代表空氣介質(zhì)鍍金銅帶的特性阻抗，Z3代表介質(zhì)微帶線的特性阻抗。Z1、Z2和Z3的表達式分別為[10]：

(1)

(2)

(3)

式中，b為同軸線的介質(zhì)外徑，a為同軸線的介質(zhì)內(nèi)徑；εr為同軸線聚四氟乙烯介質(zhì)的介電常數(shù)；W2為鍍金銅帶寬度，h2為銅帶距金屬面的高度；W3為介質(zhì)微帶線的寬度，h3為介質(zhì)微帶線的介質(zhì)板厚度；εe為介質(zhì)板的有效介電常數(shù)。

三部分間的阻抗失配分別用反射系數(shù)Γ12和Γ23表示(圖1中虛線所示)。Γ12和Γ23的表達式分別為：

(4)

(5)

圖2 鍍金銅帶搭接等效電路模型

綜合式(1)～式(5)，即可定量求出微波互聯(lián)各節(jié)點的阻抗失配程度。

互聯(lián)模型同樣可以用串聯(lián)電阻R、串聯(lián)電感L、并聯(lián)電容C1和并聯(lián)電容C2組成的低通濾波網(wǎng)絡來表示[11]，如圖2所示。這些參數(shù)的具體數(shù)值與同軸線與標準微帶線的高度差、鍍金銅帶的拱高、長度和寬度等參數(shù)有關。

2 仿真分析

2.1 仿真模型

在三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS中進行建模，模型如圖3所示。模型中，同軸連接器選用853廠生產(chǎn)的SMA型插座，具有CAST-C等級產(chǎn)品，引線直徑0.8mm，引線長度1.5mm。印制板采用介電常數(shù)為3.48，厚度為0.508mm的Rogers 4350B介質(zhì)板。鍍金銅帶需形成一定的拱形，拱高在0.2mm～1.0mm之間，以適應溫度和振動應力環(huán)境[12]。

2.2 模型優(yōu)化

運用三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對圖3的模型進行仿真，仿真曲線如圖4所示。從圖4可以發(fā)現(xiàn)，駐波指標較差，在4.0GHz處的電壓駐波比為1.54。由圖2可知，鍍金銅帶等效為低通濾波網(wǎng)絡，其與同軸連接器和微帶線之間均存在不連續(xù)性，這種不連續(xù)性直接影響了端口的駐波指標。

圖3 鍍金銅帶搭接仿真模型

圖4 原始模型仿真曲線

根據(jù)文獻[13]中論述的三種傳輸線間互聯(lián)的傳輸性能補償方法，包括基于并聯(lián)單枝節(jié)的性能補償、基于四分之一波長變換器的性能補償和基于微帶漸變線的性能補償。結合本研究的應用場合，最終選擇基于并聯(lián)單枝節(jié)的性能補償方法。

運用電子設計自動化軟件Advanced Design System進行匹配設計，將Impedance Matching插件中的單支節(jié)匹配模型(SingleStubMatch)添加到仿真電路中，如圖5所示。

圖5 并聯(lián)單支節(jié)阻抗匹配仿真電路

從圖5可以看出，電路仿真設計之前，需要得到匹配前阻抗參數(shù)ZL的值，并以此作為輸入。從金帶互聯(lián)模型仿真結果中得到頻率為4.0GHz處的S11=0.093585-j0.18846，根據(jù)輸入端阻抗與反射系數(shù)關系，得出金帶互聯(lián)處的歸一化輸入阻抗為zL=(1+S11)/(1-S11)=1.115-j0.439，進而得出輸入阻抗ZL=zL×Z0=55.753-j22。以該阻抗參數(shù)ZL作為電路的輸入，進行針對性的匹配設計，得到并聯(lián)單支節(jié)的相關參數(shù)。將得到的枝節(jié)參數(shù)運用到模型的建立中，添加并聯(lián)單枝節(jié)后的模型如圖6所示。運用三維電磁場仿真軟件Ansoft HFSS對該模型進行仿真，仿真曲線如圖7所示。從圖7可以發(fā)現(xiàn)，駐波指標明顯改善，在4.0GHz處的電壓駐波比為1.27。

圖6 并聯(lián)單支節(jié)匹配后仿真模型

圖7 優(yōu)化后模型仿真曲線

2.3 參數(shù)掃描

鍍金銅帶Ω橋搭接的一些參數(shù)將直接影響等效電路中的參數(shù)值(阻值、容值和感值)，進而直接影響端口特性。為此，針對典型參數(shù)進行建模，如圖8所示，圖中參數(shù)H代表同軸引線最底端距離微帶線的高度，參數(shù)L代表鍍金銅帶投影到微帶線上的直線距離，參數(shù)W代表鍍金銅帶的寬度。

圖8 參數(shù)掃描仿真模型

針對參數(shù)H進行參數(shù)掃描仿真，在L=1.5mm，W=1.0mm的前提下，分別仿真H=0.1mm、0.2mm和0.3mm三種條件下的端口駐波特性，仿真結果如圖9所示。從圖9可以看出，針對于4GHz頻點，高度越高，駐波性能越差。

針對參數(shù)L進行參數(shù)掃描仿真，在H=0.1mm，W=1.0mm的前提下，分別仿真L=1.5mm、1.7mm和1.9mm三種條件下的端口駐波特性，仿真結果如圖10所示。從圖10可以看出，針對于4GHz頻點，銅帶投影長度越大，駐波性能越差。

圖9 引線高度對駐波的影響

圖10 銅帶投影長度對駐波的影響

針對參數(shù)W進行參數(shù)掃描仿真，在H=0.1mm，L=1.5mm的前提下，分別仿真W=0.5mm、0.8mm和1.0mm三種條件下的端口駐波特性，仿真結果如圖11所示。從圖11可以看出，針對于4GHz頻點，1.0mm線寬對應的駐波性能最好，0.5mm線寬對應的駐波性能最差。

綜合上述三種參數(shù)對端口性能的影響，最終確定三種參數(shù)值分別為：L=1.5mm，W=1.0mm，H=0.1mm。

圖11 銅帶寬度對駐波的影響

圖12 變頻單元端口駐波實測曲線

3 工藝實現(xiàn)與測試結果

該鍍金銅帶搭接方式已運用到某星載變頻單元中以實現(xiàn)同軸連接器與微帶間的互聯(lián)，鍍金銅帶搭接均按照L=1.5mm，W=1.0mm，H=0.1mm的參數(shù)裝配。在常溫(+25oC)下，用R&S ZVA 50矢量網(wǎng)絡分析儀對該變頻單元進行了全面測試，其中該變頻單元工作頻段下的端口駐波測試曲線如圖12所示。由測試曲線可看出，采用該鍍金銅帶搭接方式的變頻單元端口駐波性能良好，實測結果與仿真結果較為相符。

4 結束語

本文針對鍍金銅帶搭接方式對端口特性的影響進行了仿真分析，引入了并聯(lián)單支節(jié)匹配的方式以改善端口駐波特性，并對三種關鍵參數(shù)(高度H、投影長度L和寬度W)對端口特性的影響進行了參數(shù)掃描仿真，星載變頻單元端口駐波的實測結果進一步驗證了設計的可行性。該鍍金銅帶搭接方式已在工程中得到應用，性能穩(wěn)定可靠，有廣泛的應用前景。