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基于Uni-Guide^TM的客户定制双脊波导接头

Alex Chen and Andrew Laundrie，Eravant

微带到波导转换的实现通常需要专门设计。因此带波导接口微波产品的封装设计和生产具有周期长、成本高和定制化的一系列问题。如果应用环境恶劣，通常需要解决波导口的气密封装，这样设计和生产成本和周期就会加倍。常见替代方案是采用同轴结构，即在封装盒上用焊入密闭同轴玻珠的方法，然后采用可更换型同轴接头外加波导到同轴的适配器来完成。但这个方案会带来指标恶化、结构复杂、体积增加、可靠性减低和成本增加的额外问题。

Eravant的专利产品Uni-Guide™波导接头解决了上述问题。这个系列产品（图1）引入了一种全新波导口的封装方法。这个系列有7个型号。矩形波导尺寸从WR-42（18-26.5 GHz）、WR-28（26.5-40 GHz）等，到WR-10（75-110 GHz）。

Uni-Guide™波导接头的概念与标准同轴接头一样，因此可以直接互换。这样Uni-Guide™波导接头实现了从微带电路到波导端口的直接过渡。也就是说，Uni-Guide™波导接头可以像标准同轴接头那样，直接安装到以玻珠为气密结构的封装盒上，从而相对简单地和低成本地完成气密封装任务。另外，用Uni-Guide™波导接头完成的气密封装元部件，其波导口面的角度可以根据系统集成要求，以45度或90度的角度旋转，以避免使用扭波导来完成元件输入和输出接口的各种需求，如E面输入口、H面输出口等。

由于现场可更换和现场可配置的特点，Uni-Guide™波导接头还能提供不同的射频端口配置需求，如同轴口入、波导口出等多场景的组合应用，以更进一步满足系统集成的需要。这些都可以大幅降低与元件和组件的设计和生产相关的成本和时间。另外，由于不再需要专门的封装盒，这样新品研发、生产、库房零件种类管理等就更为经济、快捷和简单。它们还提供一种在应用现场无需采用适配器，但能更换射频接口的可能性。常见的应用包括天线暗室、便携式测试设备和生产测试站点。这个发明可用于很多常见的微波、毫米波产品的射频端口设计中，如天线、放大器、混频器、倍频器、开关、振荡器、噪声源、无源器件和收发组件。

Uni-Guide™波导接头背后的设计理念与标准同轴接头完全相同，它是波导接头，不是适配器。如图2所示，工作原理与同轴接头一样，即同轴玻珠的内导体直接插入波导接头的内导体，然后，通过阻抗变换器完成从同轴的TEM模到波导TE₁₀模的转换。标准波导接头的孔距与标准同轴接头的孔距一致。这样就使得Uni-Guide™波导接头与标准同轴接头可完全互换。采用Uni-Guide™波导接头，由于避免了附加同轴适配器，因此其具备更低的插入损耗和更好的阻抗匹配。

标准Uni-Guide™波导接头型号有W波段的SUF1009-280-S1，其频率范围为75-100 GHz。其波导口配置WR-10波导法兰，而其同轴端口与1毫米标准法兰同轴接头内导体兼容，可接受9 mils直径的探针和间距0.28英寸的法兰安装孔。E波段和V波段的Uni-Guide™波导接头的波导口分别配置WR-12和WR-15波导法兰。此外，Eravant还提供U波段、Q波段和Ka波段的标准Uni-Guide™波导接头，它们分别对应波导尺寸WR-19、WR-22和WR-28以覆盖40到60 GHz、33到50 GHz和26.5到40 GHz的全波导频带应用。这些型号与标准法兰同轴接头内导体兼容，可接受12 mils直径的探针和间距0.48英寸的法兰安装孔。

其它标准Uni-Guide™波导接头型号还包括频率范围18-26.5 GHz的K波段WR-42波导口，以及频率范围22-33 GHz的WR-34波导口的产品。这两种型号都适配直径为12 mils的同轴探针。不过，由于机械结构的限制，需要特定非标准间距0.75英寸的安装孔。这样在设计元件或部件封装盒时，需要添加一对额外的安装孔。

定制设计示例

有客户意识到现场可更换和现场可配置波导端口的好处，提出了一系列特殊要求。由于标准Uni-Guide™波导接头覆盖的是矩形标准波导的工作频率，因此，不能满足他们的需求。特别是，客户需要WRD-180双脊波导接口，覆盖18-40 GHz，最大插入损耗为0.25 dB，最小回波损耗为15dB。分析表明，型号为SUF-2812-480-S1的标准Uni-Guide™波导接头在24到44 GHz范围内，可以提供0.3 dB的插入损耗和20 dB的回波损耗。

基于以上结论，Eravant工程师相信，他们可以修改标准Uni-Guide™波导接头的模式转换和阻抗变换器，以实现WRD-180双脊波导波导接口宽带覆盖。然而，客户要求双脊波导接口与其现有的非标准同轴结构直接相连。这里最大的挑战是玻珠的中心导体的长度比标准Uni-Guide™波导接头所需的要短。这样标准波导接头设计中采用的短路器方案就不能采用，如图3所示。由于短路器对于阻抗匹配和模式转换至关重要，因此在新设计中，必须采用封装盒来充当短路器。这一方案增加了封装盒和波导接头之间的小间隙而引起的信号泄漏和寄生谐振的风险。因此，在新结构中引入了扼流槽，以减少信号泄漏并抑制谐振。

为了验证可行性并优化模式转换器和阻抗变换器的尺寸，采用CST Studio进行了电磁仿真。优化结果表明：在18到40 GHz范围内，最小回波损耗为20 dB。为减少插入损耗，定制波导接头的基材采用了表面镀银的6061-T651合金铝。该设计适用于探针长度为0.044至0.060英寸同轴波珠。探针座由压入式铍铜弹簧结构完成，并镀有硬金合金。这一结构和材料可以确保波导接头与同轴波珠中心导体的可靠接触。如图4所示，定制波导接头的分体式结构可降低机械加工成本，同时方便产线组装。

波导接头测试

定制波导接头的插入损耗和回波损耗的测量面临与其它适配器相同的挑战。通常，人们采用两个相同的适配器背靠背连接，并作为一个组件进行测量。这样单一适配器的性能由组合适配器的测量值决定。这种方法通常用于同轴转换器、波导同轴转换器和波导模式转换器的测试。

我们采用了两个定制WRD-180波导接头的波导端口相连接，在同轴端口测量其组合的电指标。由于定制WRD-180波导接头没有短路器，因此同轴口无法接受标准同轴接头的玻珠中心导体。如图5所示，我们专门设计和制造了一对圆柱形测试夹具用以完成标准2.92毫米同轴接头的连接。其中特氟龙套筒用作连接同轴线的绝缘材料。我们分别测量了两个圆柱形测试夹具的插入损耗。估计每个圆柱形测试夹具的插入损耗约为0.2 dB。

我们将波导接头背对背夹紧在一起进行测量，以确定它们的组合插入损耗和回波损耗。单个接头的插入损耗估计为测量值的一半。这是基于假设失配对整体插入损耗的影响可以忽略不计而来。从测量的插入损耗中减去圆柱形测试夹具和2.92mm同轴接头的衰减，得出如图6所示的单个波导接头的插入损耗。

同时我们还测量了组合组件的回波损耗。考虑到背对背连接的低插损、高回波损耗，失配效应可以认为是累加的。在100%匹配的理想条件下，实际单个波导接头的回波损耗通常认为是6 dB加上组合接头的回波损耗测量值。而这里，我们在计算单个波导接头的回波损耗时，考虑到被测件的非理想但高回波损耗以及补偿级联组件的累加效应，我们采用测量值加上4 dB来得到如图7所示结果。

总体而言，定制设计的WRD-180波导接头一次性尝试就几乎满足了客户提出的所有要求。仿真评估定制接头的功率为200 W。尽管实测平均插入损耗为0.4 dB，略高于0.25 dB的设计目标，但回波损耗达到或超过了15 dB。因此，这个波导接头证明Uni-Guide™波导接头产品概念可以扩展到包括双脊波导接口的可行性和实用性。

基于WRD-180波导接头设计的成功，为同一客户研发了另一个Uni-Guide™波导接头。该设计是一个覆盖6到18 GHz的WRD-650双脊波导接头。这种定制设计不需要与异常短的中心探针配合，所以可以使用类似于标准Uni-Guide™接头中使用的集成短路器。WRD-650双脊波导接头接受标准36 mils直径的探针，支持高达400 W的功率。在6.5-18 GHz范围内，最大插入损耗为0.3 dB，最小回波损耗为15 dB。

Uni-Guide™波导接头可以减少元部件制造商封装设计和生产所需满足的各种波导尺寸（工作频率）和不同接口方向的封装盒品种数量。它与现有行业的标准同轴接头一样，可以用在标准封装盒上。它们具有现场可更换和现场可配置的特性。当客户需要电子元件特定的波导尺寸和方向时，Uni-Guide™波导接头可以在不重新设计、生产特制封装盒的情况下直接满足各种射频端口的需求从而减低项目成本和避免项目延迟。我们已经研发了两种基于双脊矩形波导的波导接头。相信这一成功可以推广到更多的设计案例和找到新的应用。

大部分情况，Eravant对特定应用需求的元部件和集成组件的研发路径都不是从零开始，而是对其标准元部件和组件进行设计修改以满足客户要求。对特定应用的元部件和集成组件的研发周期，Eravant通常仅需两天到八周。这主要得益于其5千多款标准元部件和组件这一巨大的设计库。以成熟设计为基础，不仅可以减少不确定性，而且还可以确保低成本地快速完成设计和制造硬件。Eravant通过与客户的实时交流和密切合作的研发流程，使每个新品从设计到量产周期更为短暂，费用更为节省，产品指标和质量上更加一流。

图1：Uni-Guide™波导接头

图2：Uni-Guide™波导接头与封装盒配合的内部结构图

图3：不带短路器的双脊波导接头与封装盒配合的内部结构图

图4：波导接头分体式结构设计示意图

图5：用于Uni-Guide™波导接头测试的测试架

图6：单个波导接头的插损

图7：单个波导接头经数据处理过的反射损耗