新型波导连接器可简化微波和毫米波元件封装
品慧电子讯针对Ka、Q和 U 三个流行频段，仿真、设计和制造波导连接器以实现组件集成。该概念适用于各种波导频带，其中玻璃珠可用于标准射频馈通，在WR-10中最高可达110 GHz。原型和初始生产数据显示了全波导频带覆盖，其 RF 性能可与同轴连接器相媲美。波导连接器可用作许多现有 RF 组件包中需要波导接口的同轴连接器的直接替代品。
简介
连接的微波和毫米波元件和子组件广泛用于测试仪器、科学仪器以及通信和雷达系统。组件或子组件包最常见的RF接口格式包括同轴连接器和矩形波导。同轴连接器是几十年前推出的，非常成熟和标准化。目前，占主导地位的射频接口是与标准射频馈通(玻璃珠)结合使用的现场可更换同轴连接器。它们为微波和毫米波元件和模块封装提供方便可靠的射频接口。同轴连接器的最新进展已将其频率推高至 110 GHz。此外，用于汽车雷达和 E 波段通信链路在引入1.35 mm连接器也取得了进展。当实施可现场更换的同轴连接器时，它们为各种微波和毫米波封装提供了简单性和灵活性。图 1a显示了一个典型的 2.92 毫米(K)现场可更换同轴连接器。RF馈通(玻璃珠)用于将 RF 信号传入和传出封装。
目前，对于高达67 GHz的1.85 mm连接器应用，RF馈通可用的最小引脚直径为9 mil。一些实验表明，如果小心实施，1.85 毫米馈通可用于高达 110 GHz 而不会激发高阶模式。在许多情况下，同轴线系统的缺点是信号损耗高和功率处理能力有限。因此，当必须降低损耗和提高功率处理能力时，使用波导作为 RF 接口通常是一种有效且有吸引力的替代方案。大多数波导接口封装都有内置波导端口。由于在外壳内部实施了微波电路，集成波导到微带线的转换通常受到关注和研究，以满足电气和机械要求。
许多出版物描述了从波导到微带线以及其他传输线格式(例如鳍线和共面波导)的宽带过渡。 从这些出版物中，电路到波导接口通常被视为一个统一的元素。因此，许多波导接口封装都是定制设计，需要一次性工程(NRE)工作，包括EM仿真、机械设计和原型制作。这些努力导致产品开发成本增加、设计周期延长和库存管理负担增加。此外，定制设计的外壳在端口指定方面没有灵活性，例如波导输入和同轴输出连接器，或者在端口方向方面，例如垂直或水平波导端口。此外，气密地密封这样的波导端口总是具有挑战性且昂贵的。因此，如果波导连接器很像现场可更换的同轴连接器，那将是可取的，可以使用标准玻璃珠针。这种连接器将使用为现场可更换同轴连接器设计的标准外壳，并消除了设计从波导到其他传输介质的定制转换的工作。基于此，我们提出了现场可更换波导连接器的概念，如图1。
图1：现场可更换的同轴和波导连接器。
为了演示这一概念，我们模拟、设计和制造了Ka、Q和U波段现场可更换波导连接器，以覆盖26.5至60 GHz的频率范围。测得的插入损耗和回波损耗与 EM 模拟一致。许多在生产环境中制造的单元都表现出可重复的性能。Ka、Q 和 U 波段波导连接器的典型插入损耗为 0.5 至 0.7 dB，回波损耗约为20dB。这些结果与对应的 2.92 毫米、2.4 毫米和 1.85 毫米同轴连接器相当。因此，实现了电性能类似于同轴连接器的波导连接器。
此外，波导连接器可与其同轴连接器进行机械互换。这些结果有可能彻底改变和改进波导接口元件封装技术。
波导连接器设计细节
波导连接器的详细配置及其EM仿真模型分别如图2(a)和图2(b)所示。该概念改编自脊波导到同轴过渡波导连接器由三部分组成：连接器主体、背短路器和插座。连接器主体为标准矩形波导，集成脊形波导阻抗变换器，降低带内阻抗，使波导与同轴玻璃珠的50Ω阻抗相匹配。
图2：(a)波导连接器的配置;(b)波导连接器的cst模型。
如图2(b)所示，连接器主体设计采用了三级单脊波导变压器。CST EM模拟器用于优化带内回波损耗和插入损耗，以在机械和制造边界内实现最佳性能。模拟连接器的性能与各种机械公差的关系以确定关键尺寸，从而实现最佳性能和最高产量。发现脊的末级高度、背短路位置和同轴线的同心度是最关键的尺寸。模拟波导到同轴过渡的最佳性能如图3所示。
机械设计的主要考虑因素包括插座尺寸、插座材料及其实施。一旦选择了插座尺寸，就可以确定脊波导的厚度。安装孔的数量及其尺寸和位置均经过仔细考虑，以实现与行业标准现场可更换同轴连接器的互换性。
图3：(a)wr-28、(b)wr-22和(c)wr-19的模拟插入损耗和回波损耗。
连接器插座是确保阻抗变压器和玻璃珠引脚之间可靠的射频和机械连接的关键部件。通过研究行业标准2.92毫米、2.4毫米和1.85毫米同轴连接器的插座，确定插座孔可容纳0.012 密耳直径的引脚。插座选择耐用且弹簧作用友好的材料铍铜。为确保成功的制造过程和高产量，机械设计基于压装装配技术。它的实施是为了确保准确、可靠和一致的生产。安装孔的尺寸适合2–56个螺钉，间距为0.480英寸。考虑到波导方向的灵活性，90度旋转选项由两个额外的安装孔支持。
两个波导连接器的最终实现如图4(a)所示。图4(b)中的文本符号表示端口配置。WG(V)-WG(V) 表示输入和输出均具有垂直方向的波导端口。类似地，K(F) - WG(H) 表示母K连接器作为输入端口，波导具有水平方向作为输出端口等。
图4：(a)波导连接器的机械图;(b)使用波导连接器的设备图示。
许多具有用于同轴连接器的标准射频馈通(玻璃珠)的设备，例如衰减器、开关、混频器、TX/RX模块等，都可以使用波导接口进行配置，而无需任何额外的工作。使用波导连接器的好处包括：
● 使用带有标准同轴(玻璃珠)馈通的外壳，可以灵活地配置具有各种射频接口的封装。
● 保持密封封装，同时避免昂贵的密封波导窗口。
● 通过使用标准同轴馈通(玻璃珠)外壳，避免定制包装 NRE 并缩短周期时间。
● 通过仅储存少量标准同轴馈通(玻璃珠)外壳来提高库存效率。
● 在将各种设备集成到用于雷达、通信、仪器仪表等的子组件中时，消除了各种适配器或波导互连组件及其插入损耗。
● 还开发了用于其他常见波导频带的波导连接器。
连接器的测量射频性能
我们制造了 Ka、Q 和 U 波段波导连接器。生产运行显示出一致的 RF 性能单元。典型的测量性能如图5 所示。图 5中的曲线是在带有两个背靠背连接器的 VNA 上绘制的。为获得单个连接器的回波损耗而增加的4 dB是基于对相同级联双端口设备的分析。
从图 5可知，该器件在模拟和测量结果之间观察到良好的性能相关性。模拟和实测之间的小偏差和不一致主要是由于背靠背测量和数据后处理造成的。此外，加工公差和制造工艺也促成了硬件性能的变化。从测量的性能来看，这些波导连接器可与对应的 K(2.92 毫米)、2.4 毫米和 V(1.85 毫米)同轴连接器相媲美。
图 5：(a)wr-28、(b)wr-22 和(c)wr-19的测量插入损耗和回波损耗。
结论
在本文中，我们提出了一种类似于现场可更换同轴连接器的新型波导连接器。连接器专为三种流行频段 Ka、Q 和U波导而设计和制造。测量结果与仿真数据一致。该概念适用于较低的微波频段和较高的毫米波频段，直至WR-10 波导。原型和初始生产数据显示，全波导频带覆盖的RF性能可与同类产品同轴连接器相媲美。当微波和毫米波组件和多功能模块需要波导接口时，波导连接器可方便地替代同轴连接器。
来源：《国际线缆与连接》， 冯文飞编译 作者：Eravant USA公司
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