在高频段下带SMA接头的同轴矩形波导转换器的设计

1 引言

在微波系统中，常使用到一种很普遍的部件，即由一种传输线变换到另一种传输线的过渡元件，称为波型转换器，也称为波型激励器。对波型转换器的要求是：(1)能激励出所需要的波型;(2)驻波系数尽量小。

为实现宽频带内良好的阻抗匹配，目前广泛使用的宽频带同轴—矩形波导转换器，主要有两种形式，探针式和脊波导过渡式。探针式，即将插入波导腔的同轴线内导体顶部连接上金属圆盘或球，以及在波导腔上设置若干调谐螺钉。脊波导过渡式，通过在波导中加脊片，组成阶梯阻抗变换器，使脊波导的输出阻抗接近同轴线的特性阻抗，以达到阻抗匹配的目的。

在这些技术中，为降低成本，采用SMA同轴连接器接头一般为标准产品，其介质、内外径都是确定的。这种结构带来两方面的问题：(1)SMA接头只能在单模工作在一定频率(18GHz)以下,在更高频率时SMA接头中的高次模将严重影响转换器的工作带宽，如果采用其它工作频率更高的标准接头，如K接头，其价格高出SMA接头许多，将大大提高成本;(2)转换器设计参数比较少，不易做到匹配。

2 探针型同轴—矩形波导转换器

相比于脊波导过渡式转换器，探针型转换器具有频带宽、易加工的优点，故本文只在针对这种形式的转换器做讨论。探针式同轴—波导转换器是将同轴线的内导体做成探针的形式从波导的宽边插入到波导腔中，在探针顶部加一圆盘或小球，波导一端口短路，另一端口输出。在波导腔内加若干调谐螺钉。

通过调整下列三个尺寸来达到同轴—矩形波导转换器在工作频带内有较好的匹配：(1)探针到短路端的距离i;(2)探针的长度f;(3)探针顶部圆盘的厚度h和直径g;(4)调谐螺钉的位置。

图1 探针式同轴—矩形波导转换器

如上图所示，标准的SMA接头其外径mm，内径mm，而介质的相对介电常数。其截止频率大概在18GHz左右。

本文设计了一个从波导型号为BJ220的标准波导口到内外径为1.3mm和4.1mm的同轴线的探针型转接器。标准波导BJ220的工作频率为17.6—26.7GHz,其范围已经超过SMA接头的工作频率范围。通过软件仿真，其最优结果如图2所示。

图2 SMA—BJ220转换器仿真曲线

从图2可以看出，由于转接器的工作频段超过SMA接头的工作频率，同轴接头内部产生的高次模，高次模在25.9GHz和28.1GHz产生谐振尖峰，导致转接器的反射系数急剧增大。

3 改进后的同轴—波导转换器

为克服上述问题，本文特在以前的探针型转换器的结构基础上提出一些改进。同轴线的截止频率为，当缩小外径b和介质的相对介电常数时，其截止频率会明显提高。故在SMA接头与波导腔之间添加一过渡阶段，即在腔体上壁插入SMA接头处开一圆孔，该空的直径小于SMA的外径，其内部为空气填充。

图3 改进后的同轴—矩形波导转换器

表1给出了经优化后的同轴—矩形波导转换器的主要结构参数。

表1 转换器的结构参数

其仿真曲线如图所示

图4 改进后SMA—BJ220转换器的仿真曲线

由图4的仿真曲线可以看出，在标准矩形波导BJ220工作的频带范围17.6—26.7GHz内，转接器的反射系数在-27dB以下，即驻波系数小于1.05。并且由于过渡圆孔的抑制作用，由高次模产生的谐振尖峰也被提高到35.6GHz，移出了转接器的工作频带。故通过这种改进，SMA接头认可运用于高于18GHz的场合。

由图5可见，经改进后的SMA—BJ220转换器的实际性能指标为：转换器反射系数在-15dB以下的工作频带被拓展到17.6—31.6GHz;在波导BJ220单模传输工作的频带范围17.6—26.7GHz内，其反射系数为-16dB以下;通过过渡圆孔的抑制作用，谐振尖峰被提高到了32.3GHz。在通带内的反射系数，仿真曲线和实际测量曲线存在一定差异，其主要原因在于该转换器体积只有24.3*22.4*22.4

，加工时相对误差较大;以及在仿真过程中，并未考虑SMA接头自身在连接时的微波反射。

图6 改进后SMA—BJ220转换器的实测曲线

4 结论

本文介绍了我们在对从同轴线到矩形波导之间波型变换做的一些研究。同轴—矩形波导转换器目前已广泛应用于各个微波系统，每年的生产、需求量都很大。而通过本文所述技术，可以采用价格低廉的SMA接头来代替其他性能优越、价格昂贵的接头，从而有效的削减了生产成本。目前，我们正在进一步探讨这项新技术及其在大规模生产方面所面临的问题。本文所述技术都申请了专利保护。