【導(dǎo)讀】針對Ka、Q和 U 三個流行頻段，仿真、設(shè)計和制造波導(dǎo)連接器以實現(xiàn)組件集成。該概念適用于各種波導(dǎo)頻帶，其中玻璃珠可用于標(biāo)準(zhǔn)射頻饋通，在WR-10中最高可達(dá)110 GHz。原型和初始生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示了全波導(dǎo)頻帶覆蓋，其 RF 性能可與同軸連接器相媲美。波導(dǎo)連接器可用作許多現(xiàn)有 RF 組件包中需要波導(dǎo)接口的同軸連接器的直接替代品。
簡介
連接的微波和毫米波元件和子組件廣泛用于測試儀器、科學(xué)儀器以及通信和雷達(dá)系統(tǒng)。組件或子組件包最常見的RF接口格式包括同軸連接器和矩形波導(dǎo)。同軸連接器是幾十年前推出的，非常成熟和標(biāo)準(zhǔn)化。目前，占主導(dǎo)地位的射頻接口是與標(biāo)準(zhǔn)射頻饋通(玻璃珠)結(jié)合使用的現(xiàn)場可更換同軸連接器。它們?yōu)槲⒉ê秃撩撞ㄔ湍K封裝提供方便可靠的射頻接口。同軸連接器的最新進(jìn)展已將其頻率推高至 110 GHz。此外，用于汽車?yán)走_(dá)和 E 波段通信鏈路在引入1.35 mm連接器也取得了進(jìn)展。當(dāng)實施可現(xiàn)場更換的同軸連接器時，它們?yōu)楦鞣N微波和毫米波封裝提供了簡單性和靈活性。圖 1a顯示了一個典型的 2.92 毫米(K)現(xiàn)場可更換同軸連接器。RF饋通(玻璃珠)用于將 RF 信號傳入和傳出封裝。
目前，對于高達(dá)67 GHz的1.85 mm連接器應(yīng)用，RF饋通可用的最小引腳直徑為9 mil。一些實驗表明，如果小心實施，1.85 毫米饋通可用于高達(dá) 110 GHz 而不會激發(fā)高階模式。在許多情況下，同軸線系統(tǒng)的缺點(diǎn)是信號損耗高和功率處理能力有限。因此，當(dāng)必須降低損耗和提高功率處理能力時，使用波導(dǎo)作為 RF 接口通常是一種有效且有吸引力的替代方案。大多數(shù)波導(dǎo)接口封裝都有內(nèi)置波導(dǎo)端口。由于在外殼內(nèi)部實施了微波電路，集成波導(dǎo)到微帶線的轉(zhuǎn)換通常受到關(guān)注和研究，以滿足電氣和機(jī)械要求。
許多出版物描述了從波導(dǎo)到微帶線以及其他傳輸線格式(例如鰭線和共面波導(dǎo))的寬帶過渡。 從這些出版物中，電路到波導(dǎo)接口通常被視為一個統(tǒng)一的元素。因此，許多波導(dǎo)接口封裝都是定制設(shè)計，需要一次性工程(NRE)工作，包括EM仿真、機(jī)械設(shè)計和原型制作。這些努力導(dǎo)致產(chǎn)品開發(fā)成本增加、設(shè)計周期延長和庫存管理負(fù)擔(dān)增加。此外，定制設(shè)計的外殼在端口指定方面沒有靈活性，例如波導(dǎo)輸入和同軸輸出連接器，或者在端口方向方面，例如垂直或水平波導(dǎo)端口。此外，氣密地密封這樣的波導(dǎo)端口總是具有挑戰(zhàn)性且昂貴的。因此，如果波導(dǎo)連接器很像現(xiàn)場可更換的同軸連接器，那將是可取的，可以使用標(biāo)準(zhǔn)玻璃珠針。這種連接器將使用為現(xiàn)場可更換同軸連接器設(shè)計的標(biāo)準(zhǔn)外殼，并消除了設(shè)計從波導(dǎo)到其他傳輸介質(zhì)的定制轉(zhuǎn)換的工作。基于此，我們提出了現(xiàn)場可更換波導(dǎo)連接器的概念，如圖1。
圖1：現(xiàn)場可更換的同軸和波導(dǎo)連接器。
為了演示這一概念，我們模擬、設(shè)計和制造了Ka、Q和U波段現(xiàn)場可更換波導(dǎo)連接器，以覆蓋26.5至60 GHz的頻率范圍。測得的插入損耗和回波損耗與 EM 模擬一致。許多在生產(chǎn)環(huán)境中制造的單元都表現(xiàn)出可重復(fù)的性能。Ka、Q 和 U 波段波導(dǎo)連接器的典型插入損耗為 0.5 至 0.7 dB，回波損耗約為20dB。這些結(jié)果與對應(yīng)的 2.92 毫米、2.4 毫米和 1.85 毫米同軸連接器相當(dāng)。因此，實現(xiàn)了電性能類似于同軸連接器的波導(dǎo)連接器。
此外，波導(dǎo)連接器可與其同軸連接器進(jìn)行機(jī)械互換。這些結(jié)果有可能徹底改變和改進(jìn)波導(dǎo)接口元件封裝技術(shù)。
波導(dǎo)連接器設(shè)計細(xì)節(jié)
波導(dǎo)連接器的詳細(xì)配置及其EM仿真模型分別如圖2(a)和圖2(b)所示。該概念改編自脊波導(dǎo)到同軸過渡波導(dǎo)連接器由三部分組成：連接器主體、背短路器和插座。連接器主體為標(biāo)準(zhǔn)矩形波導(dǎo)，集成脊形波導(dǎo)阻抗變換器，降低帶內(nèi)阻抗，使波導(dǎo)與同軸玻璃珠的50Ω阻抗相匹配。
圖2：(a)波導(dǎo)連接器的配置;(b)波導(dǎo)連接器的cst模型。
如圖2(b)所示，連接器主體設(shè)計采用了三級單脊波導(dǎo)變壓器。CST EM模擬器用于優(yōu)化帶內(nèi)回波損耗和插入損耗，以在機(jī)械和制造邊界內(nèi)實現(xiàn)最佳性能。模擬連接器的性能與各種機(jī)械公差的關(guān)系以確定關(guān)鍵尺寸，從而實現(xiàn)最佳性能和最高產(chǎn)量。發(fā)現(xiàn)脊的末級高度、背短路位置和同軸線的同心度是最關(guān)鍵的尺寸。模擬波導(dǎo)到同軸過渡的最佳性能如圖3所示。
機(jī)械設(shè)計的主要考慮因素包括插座尺寸、插座材料及其實施。一旦選擇了插座尺寸，就可以確定脊波導(dǎo)的厚度。安裝孔的數(shù)量及其尺寸和位置均經(jīng)過仔細(xì)考慮，以實現(xiàn)與行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)現(xiàn)場可更換同軸連接器的互換性。
圖3：(a)wr-28、(b)wr-22和(c)wr-19的模擬插入損耗和回波損耗。
連接器插座是確保阻抗變壓器和玻璃珠引腳之間可靠的射頻和機(jī)械連接的關(guān)鍵部件。通過研究行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)2.92毫米、2.4毫米和1.85毫米同軸連接器的插座，確定插座孔可容納0.012 密耳直徑的引腳。插座選擇耐用且彈簧作用友好的材料鈹銅。為確保成功的制造過程和高產(chǎn)量，機(jī)械設(shè)計基于壓裝裝配技術(shù)。它的實施是為了確保準(zhǔn)確、可靠和一致的生產(chǎn)。安裝孔的尺寸適合2–56個螺釘，間距為0.480英寸。考慮到波導(dǎo)方向的靈活性，90度旋轉(zhuǎn)選項由兩個額外的安裝孔支持。
兩個波導(dǎo)連接器的最終實現(xiàn)如圖4(a)所示。圖4(b)中的文本符號表示端口配置。WG(V)-WG(V) 表示輸入和輸出均具有垂直方向的波導(dǎo)端口。類似地，K(F) - WG(H) 表示母K連接器作為輸入端口，波導(dǎo)具有水平方向作為輸出端口等。
圖4：(a)波導(dǎo)連接器的機(jī)械圖;(b)使用波導(dǎo)連接器的設(shè)備圖示。
許多具有用于同軸連接器的標(biāo)準(zhǔn)射頻饋通(玻璃珠)的設(shè)備，例如衰減器、開關(guān)、混頻器、TX/RX模塊等，都可以使用波導(dǎo)接口進(jìn)行配置，而無需任何額外的工作。使用波導(dǎo)連接器的好處包括：
● 使用帶有標(biāo)準(zhǔn)同軸(玻璃珠)饋通的外殼，可以靈活地配置具有各種射頻接口的封裝。
● 保持密封封裝，同時避免昂貴的密封波導(dǎo)窗口。
● 通過使用標(biāo)準(zhǔn)同軸饋通(玻璃珠)外殼，避免定制包裝 NRE 并縮短周期時間。
● 通過僅儲存少量標(biāo)準(zhǔn)同軸饋通(玻璃珠)外殼來提高庫存效率。
● 在將各種設(shè)備集成到用于雷達(dá)、通信、儀器儀表等的子組件中時，消除了各種適配器或波導(dǎo)互連組件及其插入損耗。
● 還開發(fā)了用于其他常見波導(dǎo)頻帶的波導(dǎo)連接器。
連接器的測量射頻性能
我們制造了 Ka、Q 和 U 波段波導(dǎo)連接器。生產(chǎn)運(yùn)行顯示出一致的 RF 性能單元。典型的測量性能如圖5 所示。圖 5中的曲線是在帶有兩個背靠背連接器的 VNA 上繪制的。為獲得單個連接器的回波損耗而增加的4 dB是基于對相同級聯(lián)雙端口設(shè)備的分析。
從圖 5可知，該器件在模擬和測量結(jié)果之間觀察到良好的性能相關(guān)性。模擬和實測之間的小偏差和不一致主要是由于背靠背測量和數(shù)據(jù)后處理造成的。此外，加工公差和制造工藝也促成了硬件性能的變化。從測量的性能來看，這些波導(dǎo)連接器可與對應(yīng)的 K(2.92 毫米)、2.4 毫米和 V(1.85 毫米)同軸連接器相媲美。
圖 5：(a)wr-28、(b)wr-22 和(c)wr-19的測量插入損耗和回波損耗。
結(jié)論
在本文中，我們提出了一種類似于現(xiàn)場可更換同軸連接器的新型波導(dǎo)連接器。連接器專為三種流行頻段 Ka、Q 和U波導(dǎo)而設(shè)計和制造。測量結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)一致。該概念適用于較低的微波頻段和較高的毫米波頻段，直至WR-10 波導(dǎo)。原型和初始生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，全波導(dǎo)頻帶覆蓋的RF性能可與同類產(chǎn)品同軸連接器相媲美。當(dāng)微波和毫米波組件和多功能模塊需要波導(dǎo)接口時，波導(dǎo)連接器可方便地替代同軸連接器。
來源：《國際線纜與連接》， 馮文飛編譯 作者：Eravant USA公司
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