【導讀】針對Ka、Q和 U 三個流行頻段，仿真、設(shè)計和制造波導連接器以實現(xiàn)組件集成。該概念適用于各種波導頻帶，其中玻璃珠可用于標準射頻饋通，在WR-10中最高可達110 GHz。原型和初始生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示了全波導頻帶覆蓋，其 RF 性能可與同軸連接器相媲美。波導連接器可用作許多現(xiàn)有 RF 組件包中需要波導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、科學儀器以及通信和雷達系統(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。同軸連接器是幾十年前推出的，非常成熟和標準化。目前，占主導地位的射頻接口是與標準射頻饋通(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展已將其頻率推高至 110 GHz。此外，用于汽車雷達和 E 波段通信鏈路在引入1.35 mm連接器也取得了進展。當實施可現(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67 GHz的1.85 mm連接器應用，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 110 GHz 而不會激發(fā)高階模式。在許多情況下，同軸線系統(tǒng)的缺點是信號損耗高和功率處理能力有限。因此，當必須降低損耗和提高功率處理能力時，使用波導作為 RF 接口通常是一種有效且有吸引力的替代方案。大多數(shù)波導接口封裝都有內(nèi)置波導端口。由于在外殼內(nèi)部實施了微波電路，集成波導到微帶線的轉(zhuǎn)換通常受到關(guān)注和研究，以滿足電氣和機械要求。
許多出版物描述了從波導到微帶線以及其他傳輸線格式(例如鰭線和共面波導)的寬帶過渡。 從這些出版物中，電路到波導接口通常被視為一個統(tǒng)一的元素。因此，許多波導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、機械設(shè)計和原型制作。這些努力導致產(chǎn)品開發(fā)成本增加、設(shè)計周期延長和庫存管理負擔增加。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端口。此外，氣密地密封這樣的波導端口總是具有挑戰(zhàn)性且昂貴的。因此，如果波導連接器很像現(xiàn)場可更換的同軸連接器，那將是可取的，可以使用標準玻璃珠針。這種連接器將使用為現(xiàn)場可更換同軸連接器設(shè)計的標準外殼，并消除了設(shè)計從波導到其他傳輸介質(zhì)的定制轉(zhuǎn)換的工作。基于此，我們提出了現(xiàn)場可更換波導連接器的概念，如圖1。
圖1：現(xiàn)場可更換的同軸和波導連接器。
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)出可重復的性能。Ka、Q 和 U 波段波導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)果與對應的 2.92 毫米、2.4 毫米和 1.85 毫米同軸連接器相當。因此，實現(xiàn)了電性能類似于同軸連接器的波導連接器。
此外，波導連接器可與其同軸連接器進行機械互換。這些結(jié)果有可能徹底改變和改進波導接口元件封裝技術(shù)。
波導連接器設(shè)計細節(jié)
波導連接器的詳細配置及其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到同軸過渡波導連接器由三部分組成：連接器主體、背短路器和插座。連接器主體為標準矩形波導，集成脊形波導阻抗變換器，降低帶內(nèi)阻抗，使波導與同軸玻璃珠的50Ω阻抗相匹配。
圖2：(a)波導連接器的配置;(b)波導連接器的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。模擬波導到同軸過渡的最佳性能如圖3所示。
機械設(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，就可以確定脊波導的厚度。安裝孔的數(shù)量及其尺寸和位置均經(jīng)過仔細考慮，以實現(xiàn)與行業(yè)標準現(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械連接的關(guān)鍵部件。通過研究行業(yè)標準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，機械設(shè)計基于壓裝裝配技術(shù)。它的實施是為了確保準確、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端口。類似地，K(F) - WG(H) 表示母K連接器作為輸入端口，波導具有水平方向作為輸出端口等。
圖4：(a)波導連接器的機械圖;(b)使用波導連接器的設(shè)備圖示。
許多具有用于同軸連接器的標準射頻饋通(玻璃珠)的設(shè)備，例如衰減器、開關(guān)、混頻器、TX/RX模塊等，都可以使用波導接口進行配置，而無需任何額外的工作。使用波導連接器的好處包括：
● 使用帶有標準同軸(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窗口。
● 通過使用標準同軸饋通(玻璃珠)外殼，避免定制包裝 NRE 并縮短周期時間。
● 通過僅儲存少量標準同軸饋通(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、通信、儀器儀表等的子組件中時，消除了各種適配器或波導互連組件及其插入損耗。
● 還開發(fā)了用于其他常見波導頻帶的波導連接器。
連接器的測量射頻性能
我們制造了 Ka、Q 和 U 波段波導連接器。生產(chǎn)運行顯示出一致的 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，這些波導連接器可與對應的 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連接器。連接器專為三種流行頻段 Ka、Q 和U波導而設(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。原型和初始生產(chǎn)數(shù)據(jù)顯示，全波導頻帶覆蓋的RF性能可與同類產(chǎn)品同軸連接器相媲美。當微波和毫米波組件和多功能模塊需要波導接口時，波導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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