同轴1 . 85mm宽带固定负载的设计及实现

文春华郑文峰

(电子测试技术重点实验室， 青岛， 266555)

（中国电子科技集团公司第四十一研究所，青岛, 266555）

摘要本文介绍了一种同轴1 . 85mm宽带固定负 载的设计及其实现， 详细介绍了这种固定负载的整体结构及各重点结构件的设计原理， 最后给出了测试结果。

关键字1 . 85mm， 同轴， 宽带， 固定负载

The design of coaxial 1.85mm broadband fixed load

Wen Chun-hua Zheng Wen-feng

(Science and Technology on Electronic Test & Measurement Laboratory, Qingdao, 266555)

（The 41 st Research Institute of China Electronic Technology Corporation, Qingdao, 266555）

Abstract:This paper has described the whole structure and some important pieces of 1.85mm

broadband fixed load. The measure results are given in the end of this paper.

Key Words: 1.85mm, broadband, fixed load.

1引言

宽带固定负载主要用于矢量网络分析仪校准，它与开路器、短路器一起，采用SOLT法， 将矢量网络分析仪两端口的 12项误差函数确定， 从而使矢量网络分析仪实现准确测量， 提高了矢量网络分析仪的测试精度， 扩大了矢量网络分析仪的动态范围 [1]。

宽带固定负载的端口驻波比指标对校准件的校准精度影响较大，特别是在测试具有小反射系数的被测件时，固定负载的驻波比指标对矢量网络分析仪的测试精度影响尤其明显[2]。因此宽带固定负载是采用SOLT校准方法进行校准的校准件中的重要部件之一。

本文介绍了一种1.85mm宽带同轴固定负载系列产品， 其使用频率为 DC~67GHz，最大端口驻波比小于1.15。

2正文

2. 1 整件结构

该固定负载的整件结构如图1和图2所示， 图 1为阴头固定负载结构示意图， 图 2为阳头负载结构示意图。 除外导体外， 它们的内部结构基本一样， 只是连接器部分分别采用插头内导体和插针内导体。 固定负载的连接界面均采用精密 1.85mm连接器界面，内导体采用工程塑料支撑， 负载片采用宝石基片制作， 负载片与内导体之间， 采用具有良好弹性的接触件进行连接。

图1 1.85mm阴头固定负载结构示意图

其中：1： 阴头内导体； 2： 介质撑；3： 弹性接触件； 4： 负载片。

图2 1.85mm 阳头固定负载结构示意图

其中：5： 阳头内导体； 零件 2、3、4同阴头负载。

2. 2 固定负载的传输线类型选择

对于均匀同轴传输线在理想导体条件下的特性阻抗[3]为：

e

式中，

Z₀为同轴传输线特性阻抗。

εr为微波传输介质相对介电常数。

a、b为同轴线内导体外径、 外导体内径。

为了实现DC~67GHz宽频段下， 固定负载的传输线部分能以纯 TEM波传输， 传输线须尽量采用空气介质。 由公式（2-1） 我们可以推算出转接器中空气介质部分内外导体直径比。

在同轴转接器中，微波一般以纯TEM波的形式传播。 但若微波频率上升到一定程度后，在同轴传输线中传输的除纯 TEM模外， 还会传输高次模。 在同轴传输线中， 截止频率最低的高次模为H 11 模， 其截止频率为

εr为微波传输介质相对介电常数，

D、d 为同轴线外导体内径、内导体外径（单位mm）

对于1.85mm传输线， 我们设计的外导体内径为 1.85mm， 内导体外径约为0.80mm， 因此该转接器的空气线传输段截止频率约为

在实际设计过程中，通常选取5%的保险系数， 即

F’=72*95%=68.4（GHz） （2-4）

从上式可以看出，截止频率在使用频段范围外，满足使用要求。

2. 3 阴头内导体结构设计

在1.85mm固定负载中， 阴头宽带负载含有阴头结构。 该结构对整个负载的插拔寿命以及电性能均有很大影响。

阴头内导体（局部）如图3所示。 该内导体采用开槽结构， 内导体收口尺寸的大小是影响内导体插拔力大小的主要因素之一。插拔力的大小同转接器的寿命成反比， 插拔力越大， 转接器的使用寿命越短。 插拔力越小， 转接器的使用寿命越长。 但是如果内导体的插拔力太小， 转接器电性能失效的几率就会很大。 因此设计人员需要合理的阴头内导体的插拔力， 以满足固定负载寿命及电性能的要求。

为了让开槽内导体具有良好的弹性，我们选用了弹性很好的铍青铜材料，并经过热处

理后实现。

1.85mm阴头内导体的插拔力选取最大插入力为0.9N， 拔出力为 0.14-0.56N。 该转

接器在经过1000次插拔后， 各项电性能指标无明显变化。

图3阴头内导体（局部）

从电性能上看，对阴头内导体开槽，会导致传输线的阻抗发生微小变化，如下式所示[4]：

ΔZ为阻抗变化量

Z₀为原传输线阻抗

N为开槽数

W为槽宽（单位mm）

d为内导体直径（单位mm）

为了减小内导体开槽导致的阻抗变化，我们采用对内导体开槽部分直径略微增加的办

法，对该部分传输线阻抗进行修正。补偿量可由下式近似求出：

Δd为内导体直径增加量（单位mm）

N为开槽数

W为槽宽（单位mm）

d为内导体直径（单位mm）

2. 4 介质撑的设计

在各种负载中，介质撑是宽带负载的重要组成成分，也是整个负载结构中主要反射源。由于介质撑距离负载端面较近，介质撑的反射基本无损耗的返回端口，因此介质撑的电性能直接影响宽带负载的端口驻波比指标，因此介质撑的设计是整个转接器设计成功的关键之一。

介质撑的主要作用是对内导体提供物理支撑，也为内外导体具有良好的同心度提供保证。但是，因为介质撑的引入，传输线的特性阻抗发生了变化，需要对传输线的内外导体尺寸做微小变化，以尽量保证传输线的特性阻抗为50欧姆。

从理论上讲，若选用介电常数为ε的材料作为介质，则转接器的最高工作频率为

f_c 为空气作为介质材料时的截止频率e

ε为介质撑所用材料的介电常数

为了保证转接器能用到67GHz的毫米波频段， 工程上我们通常选用介电常数较小的工程塑料作为介质材料。 同时， 减小介质材料的厚度也可以提高工作频率。 但是如果介质材料厚度太小， 介质撑的强度就会很低， 不利于加工及装配， 固定内导体的强度也会很差， 因此需要选取恰当的介质材料以及厚度，以同时满足电性能及机械强度的要求。

在工程运用中，通常对介质撑进行打孔操作，增加介质撑内空气的体积，使介质撑等效介电常数得到降低，这是高频介质撑设计中用到的重要方法之一。

同时，因为介质撑的引入，会在空气传输线和介质传输线间引入不连续性电容。为了尽量减小该电容导致的传输线失配，通常采用的办法是在介质撑同空气传输线的接触面

挖一个小槽。

在1. 85mm 宽带负载的设计中， 我们选择了介电常数较小的聚苯乙烯作为介质材料， 通过选取合理的介质撑长度以及在介质撑上打6个通孔的办法， 降低了介质撑的等效介电

常数。在介质撑的侧面挖槽，以尽量减少由于介质撑的引入导致的传输线不连续性。最

后通过三维电磁仿真软件对介质撑的各种尺寸进行优化，使其整个传输线尽量匹配。

单个介质撑的仿真结果如下图所示：

图4单个介质撑仿真结果

2. 5 宽带负载片的设计

宽带负载片是宽带负载中的关键部件，负载片设计的好坏直接决定了宽带负载的电

性能指标。

从理论上讲，宽带负载中的负载片其实是一个大衰减量的衰减片。有时一个超过40dB的衰减器也可以当成一个非精密的负载使用。 按照衰减片的设计方法， 以及我单位的实际工艺情况， 我们选择了在陶瓷基片上溅射电阻膜层， 以实现微波信号在宽频带范

围内具有较大的衰减。

为了同1. 85mm 传输线匹配， 考虑传输线的连续性， 尽量避免弹性接触件与负载片连接时产生的阶跃电容， 减小宽带负载的反射信号， 负载片采用悬置共面波导结构。 负载片的图形示意图如图 5所示。

图5负载片图形示意图

2. 6 实际测试结果

1. 85mm 宽带固定负载的主要电性能指标测试是在Keysight公司的E8361C矢量网络分析仪上完成的。 测试频率为 0. 2~67GHz，校准件为Keysight85058B。 图 6和图7分别是阴头和阳头宽带固定负载端口驻波比典型测试曲线。

图6 1.85mm 阴头负载端口驻波比典型测试曲线

图7 1.85mm 阳头负载端口驻波比典型测试曲线

3结论

本文采用1.85mm精密同轴传输线弹性连接负载片方式， 设计了一种 DC~67GHz宽带固定负载。在内部结构上， 为保证传输线的阻抗连续性， 减少传输信号反射， 对部分零件尺寸进行了精密补偿，如内导体结构和介质撑结构； 合理设计了负载片尺寸及电路。

从实际测试结果看，1.85mm宽带固定负载的端口驻波比较小， 性能指标满足使用要求， 为实现对 10MHz~67GHz矢量网络分析仪的超宽带校准提供了有力保证。

参考文献

1郝少杰 韩晓东， “校准件不完善导致的矢量网络分析仪剩余误差分析”， 国外电子测量技术， 2008，06，54-56。

2郝少杰 韩晓东， “校准件不完善导致的矢量网络分析仪剩余误差分析”， 国外电子测量技术， 2008，06，54-56。;

3廖承恩，《微波技术基础》， 西安电子科技大学,2000,86。

4张永洪， “精密同轴转接头的设计”， China Academic Journal Electronic Publishing House，87-95;