SMP射频同轴匹配负载的设计与研究
刘长春+秦雪雪
摘要：文章介绍了一种SMP射频同轴匹配负载的设计，详细介绍了负载的设计原理及实现方法。
关键词：负载；柱状无感高频电阻；电压驻波比；仿真
射频同轴匹配负载是微波无源单端口器件，在无线电设备、电子仪器以及各种微波装备中应用广泛，通常作为整机或系统的输出端口，用来承受功率和实现阻抗匹配。射频同轴匹配负载的工作原理为：使用电阻吸收传输通道的微波能量，将电磁能转换为热能。使用负载连接在空置的测试端口，既保证了信号的阻抗匹配，又大大减少了空置端口信号泄漏、系统间的相互干擾，是射频传输系统的重要组成部分之一。
1 射频同轴匹配负载设计原理
1.1同轴传输线原理
SMP射频同轴匹配负载的连接器部分，设计依据与射频同轴连接器一样，都是同轴传输线的基本理论。在理想导体条件下均匀同轴传输线的特性阻抗为：
式中，A为同轴传输线特性阻抗；
为同轴线外导体内径；
为同轴线内导体外径；
为介质撑介电常数。
1.2 介质撑补偿原理
介质撑的主要作用是对内导体提供物理支撑，同时也保证内、外导体之间的同轴度。但是引入介质撑后，外导体、内导体与同轴传输线之间产生阶梯，必然会引入不连续电容。
为尽量减小频带内的反射，需要对不连续电容进行补偿。同轴传输线的不连续性补偿结构可以等效为一段高阻传输线，补偿效果取决于高阻传输线的特性阻抗Z和传输线长度&其等效电路模型如图1所示，图中C为不连续电容。
1.3 柱状电阻阻抗匹配原理
使用柱状无感高频电阻作为内导体进行阻抗匹配，此部分的设计理论与同轴线传输原理类似。假设柱状电阻的直径为2A，长度为L，阻值及等于均匀同轴线的特性阻抗&，并且在柱状电阻长度方向任一位置Z的特性阻抗Zx等于ZpjO点的电阻值则柱状电阻部分阻抗匹配，电磁波没有反射全部被吸收。
设X处外导体的半径为，并且满足同轴传输线的特性阻抗公式，则可以计算出外导体内径，如下所示：
从以上公式可以看出，与柱状电阻匹配的外导体理想形状为异物线，如图2所示。
2负载仿真设计
2.1介质撑仿真
介质撑采用抗环境特性好、介电常数小的聚四氟乙烯材料。为了方便介质支撑的固定，选择外导体突变的介质撑结构方案；同时采用台阶结构对引入介质撑带来的不连续性进行补偿。
使用高频结构仿真软件HFSS对介质撑进行建模并仿真，最终结果如图3所示。可以看出在DC?26.5GHz频率范围内回波损耗小于-30dB。
2.2 柱状电阻段仿真
由于异物线不易加工，将柱状电阻部分的外导体内腔近似为锥形结构。使用高频结构仿真软件HFSS对柱状电阻段进行建模，将柱状电阻材料设置为氧化铝，并且设置好方阻值，通过调节锥形结构的各部位尺寸和台阶长度，优化柱状电阻段的性能指标。仿真结果如图4所示，可以看出，在DC?26.5GHz频率范围内回波损耗小于-30dB零件组成。
为便于互换，满足用户的使用习惯，负载采用标准SMP阴头连接器的接口。介质支撑材料选用聚四氟乙烯；负载的内导体穿过介质撑，装入到外导体中，保证内、外导体的同轴度及端口尺寸。柱状电阻一端伸入内导体尾部的孔中，另一端采用紧定螺钉固定；内导体和端盖之间采用螺纹连接。
3.2 弹性结构设计
在SMP同轴负载的结构设计过程中，弹性结构是关键。铍青铜在固溶时效处理后，具有很高的强度、硬度、弹性极限和疲劳极限，弹性滞后小，而且具有耐磨、耐低温、无磁性等特点，因此，SMP同轴负载内导体和外导体都使用铍青铜加工制造。SMP同轴负载采用内导体开两个槽、外导体开4个槽的方案，易于加工。
4 实际测试结果
采用中国电子科技集团公司第四十一研究所生产的矢量网络分析仪AV3672E进行测试，结果如图5所示。从图中可以看出，在100MHz?26.5GHz频率范围内，负载的最大驻波比为1.18。
2.3 负载整体微波性能设计
介质撑和柱状电阻段仿真完成之后，使用HFSS软件建立负载的整体仿真模型并进行仿真优化。仿真结果可以看出，负载的驻波比小于1.07，设计指标优良。
3 负载结构设计
3.1 整体结构设计
负载主要由内导体、外导体、介质撑、柱状电阻、端盖等
5 结语
本文基于同轴线理论，采用柱状无感高频电阻设计了一种SMP射频同轴匹配负载，所设计负载的射频性能能够满足生产调试过程的使用要求，采用柱状无感高频电阻，可以大大地降低负载成本。
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