關(guān)于SMA連接器設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題和改進(jìn)建議

李明德

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所)

關(guān)于SMA連接器設(shè)計(jì)的幾個(gè)問題和改進(jìn)建議

李明德

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所)

本文針對(duì)目前我國(guó)射頻連接器市場(chǎng)上SMA型射頻同軸連接器存在的薄壁、單一環(huán)氧樹脂灌封和兩槽插孔問題進(jìn)行具體分析，指出其中不足，并提出具體的改進(jìn)建議，以利于提高我國(guó)SMA型射頻同軸連接器的質(zhì)量和整體水平。

SMA型射頻同軸連接器;薄壁;厚壁;單一環(huán)氧樹脂灌封;兩槽插孔

1 引言

SMA型射頻同軸連接器，最早是由美國(guó)Bendix公司在上世紀(jì)五十年代后期為配接當(dāng)時(shí)的直徑為0.141英寸半硬同軸電纜專門設(shè)計(jì)的。采用1/4" 36UNS英制螺紋連接，配合界面用聚四氟乙烯(PTFE)填充，插孔開兩槽，公差帶較寬，結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，未打算長(zhǎng)久使用，只應(yīng)用于普通的電子系統(tǒng)中，更沒有打算作為精密連接器使用。SMA型射頻同軸連接器一經(jīng)面世，便由于它的小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單而在行業(yè)中得到了廣泛應(yīng)用。既便在工作頻率較低小功率的應(yīng)用場(chǎng)合，也因其成本較N型、BNC型和TNC型射頻同軸連接器低而得到應(yīng)用。最初設(shè)計(jì)的SMA型射頻同軸連接器如圖1所示。

圖1 最初設(shè)計(jì)的SMA型射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵尺寸

在圖1中，(a)為陰性連接器，可以與兩種結(jié)構(gòu)的陽性連接器配接;(b)為陽性連接器，因后被標(biāo)準(zhǔn)引用，通常稱為“標(biāo)準(zhǔn)”連接器(薄壁);(c)也是陽性連接器，因其直接用141半硬同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體作為連接器的插針，電纜的介質(zhì)為連接器的介質(zhì)，電纜的外導(dǎo)體與連接器的外導(dǎo)體連在一起，形成厚壁結(jié)構(gòu)，通常被稱為“直通型”連接器。

SMA型射頻同軸連接器從面世到現(xiàn)在已經(jīng)過了半個(gè)多世紀(jì)。在半個(gè)多世紀(jì)里，世界各國(guó)針對(duì)SMA型連接器最初設(shè)計(jì)的先天不足，如薄壁外導(dǎo)體(單邊僅為0.23mm厚)，兩槽插孔，不精密，可重復(fù)性差，可靠性差和后來的單一環(huán)氧樹脂灌封固定方式等進(jìn)行了大量的廣泛的研究，提出了多種改進(jìn)措施。這些研究和改進(jìn)措施，促進(jìn)了射頻連接器的小型化、精密連接器和可靠性的發(fā)展，并取得了多項(xiàng)優(yōu)秀實(shí)用成果。但是，目前在我國(guó)射頻連接器行業(yè)，我國(guó)設(shè)計(jì)制造的SMA型射頻同軸連接器，很多生產(chǎn)廠家仍然延用SMA型連接器最初的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，保持了其先天不足和后期產(chǎn)生的不良固定方式。這些問題主要表現(xiàn)在:薄壁外導(dǎo)體、單一環(huán)氧村脂灌封和兩槽插孔。這些不良結(jié)構(gòu)的存在嚴(yán)重影響著我國(guó)SMA型射頻同軸連接器的質(zhì)量和可靠性。本文試圖針對(duì)目前我國(guó)射頻同軸連接器市場(chǎng)上，SMA型射頻同軸連接器存在的這些問題，推薦國(guó)際上成熟的、目前流行的改進(jìn)措施和建議，以提高我國(guó)射頻同軸連接器的行業(yè)水平。

2 改薄壁結(jié)構(gòu)為厚壁結(jié)構(gòu)

最初設(shè)計(jì)的SMA型陽性連接器，外導(dǎo)體內(nèi)徑為4.1529mm(0.1635英寸)，外導(dǎo)體插配外徑為4.59max(0.1808英寸)，外導(dǎo)體單邊厚度僅為 0.2286mm(0.009英寸)。這種近0.23mm的薄壁，機(jī)械加工時(shí)較難保證，廢品率高。連接器在插配時(shí)，在旋轉(zhuǎn)螺紋的壓力下，外導(dǎo)體容易變形，導(dǎo)致界面尺寸不穩(wěn)定，可重復(fù)性差，直接影響著SMA型射頻同軸連接器的性能和可靠性。為了改進(jìn)這種不良結(jié)構(gòu)，世界各國(guó)研制出了與SMA型射頻同軸連接器兼容的替代產(chǎn)品。這些產(chǎn)品主要有Amphenol公司和H.P公司聯(lián)合研制的3.5mm和APC3.5型射頻連接器、Wiltron公司研制的WSMA(類同3.5mm)和K型(2.92mm)射頻連接器、Maury Microwave公司研制的MPC3(類同2.92mm)和MPC4射頻連接器、Kevlin Microwave公司研制的KMC型和Weinschel Engineering公司研制的WPM4(類同2.92mm)型射頻連接器。

由以上可以看出，這些改進(jìn)型的連接器，除了MPC4仍堅(jiān)持了薄壁結(jié)構(gòu)外，其它的改進(jìn)型基本上趨于兩種類型，即3.5mm和2.92mm型。雖然這些可以與SMA型射頻同軸連接器兼容，但在任何實(shí)際觀念上卻不能取代SMA，因而也不再把它們稱為SMA。但這些改進(jìn)型給我們一個(gè)重要啟示，就是都是厚壁結(jié)構(gòu)，插孔均開四槽。

在執(zhí)行產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)上，除了IEC60169－15規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器延用薄壁結(jié)構(gòu)外，MIL標(biāo)準(zhǔn)和ESA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器，在壁厚問題上均作了明確修正，不再標(biāo)注外導(dǎo)體內(nèi)徑或內(nèi)導(dǎo)體外徑，保證按50Ω特性阻抗即可，但仍堅(jiān)持保證了與國(guó)際上SMA型射頻同軸連接器插配互換尺寸。MIL、ESA和IEC等標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的界面關(guān)鍵尺寸結(jié)構(gòu)如圖2所示。

從圖2 MIL、ESA和IEC等標(biāo)準(zhǔn)分別規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器的界面結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵尺寸看，都是相同的英制螺紋連接，有關(guān)插配的結(jié)構(gòu)和尺寸完全相同。因而，MIL、ESA和IEC標(biāo)準(zhǔn)三者規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器產(chǎn)品完全可以插配互換，都是充滿固體介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。關(guān)于內(nèi)外導(dǎo)體直徑的標(biāo)注方法，IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器界面沿用了原始SMA型射頻同軸連接器的標(biāo)注方法，仍然是薄壁結(jié)構(gòu)，這樣也就仍保留了其可重復(fù)性差和可靠性差的不足。而MIL標(biāo)準(zhǔn)和ESA標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器界面結(jié)構(gòu)尺寸，沒有注明外導(dǎo)體的內(nèi)徑或內(nèi)導(dǎo)體的外徑，只要滿足50Ω的特性阻抗就行了。這樣就為設(shè)計(jì)者提供了采用厚壁結(jié)構(gòu)的空間，提高連接器的可重復(fù)性和可靠性。這正是MIL標(biāo)準(zhǔn)、ESA標(biāo)準(zhǔn)與IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器的界面結(jié)構(gòu)的重要區(qū)別之處。

在我國(guó)的射頻連接器市場(chǎng)上，國(guó)外公司生產(chǎn)的SMA型射頻同軸連接器大都采用了厚壁結(jié)構(gòu)，例如，外導(dǎo)體內(nèi)徑為3.5±0.02mm。而我國(guó)的很多連接器生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的SMA型射頻同軸連接器產(chǎn)品，不論是軍品，還是民品，仍舊采用薄壁結(jié)構(gòu)。雖說這樣設(shè)計(jì)有標(biāo)準(zhǔn)可依據(jù)，但仍表現(xiàn)出設(shè)計(jì)者缺乏對(duì)連接器可靠性設(shè)計(jì)的考慮。

圖2 MIL標(biāo)準(zhǔn)、ESA標(biāo)準(zhǔn)和IEC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器界面結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵尺寸

因此，建議修正我國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)，采用和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)相同的標(biāo)注形式，即不標(biāo)注外導(dǎo)體的內(nèi)徑或內(nèi)導(dǎo)體的外徑，設(shè)計(jì)時(shí)按厚壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，例如按外導(dǎo)體內(nèi)徑為3.5±0.02mm。這樣，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)(GB/T)和國(guó)家軍用標(biāo)準(zhǔn)(GJB)規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器的界面結(jié)構(gòu)，采用相同的標(biāo)注形式，生產(chǎn)時(shí)，不論是軍品還是民品，都采用厚壁結(jié)構(gòu)，提高了產(chǎn)品的可重復(fù)性和可靠性。

3 改單一環(huán)氧樹脂灌封為它種固定方式

在目前國(guó)內(nèi)射頻連接器市場(chǎng)上流行的SMA型射頻同軸連接器中，還常常看到一些廠家采用單一環(huán)氧樹脂灌封固定的結(jié)構(gòu)，如圖3中(a)圖所示。這種結(jié)構(gòu)由于電磁泄漏嚴(yán)重，往往是在電子系統(tǒng)中，查找電磁干擾源的罪魁禍?zhǔn)?。目前看到的?guó)外生產(chǎn)廠家生產(chǎn)的SMA型連接器，其單一環(huán)氧樹脂灌封的固定方式已經(jīng)絕跡。常用的固定內(nèi)導(dǎo)體和絕緣體的方式有:不打孔，在內(nèi)導(dǎo)體外側(cè)采用倒刺、滾花和挖槽等形式，在相應(yīng)的外導(dǎo)體內(nèi)側(cè)挖槽補(bǔ)償?shù)确绞?，其結(jié)構(gòu)如圖4所示;或改單一環(huán)氧灌封為不注滿環(huán)氧樹脂，外加一定厚度的導(dǎo)電膠封口的方式，其結(jié)構(gòu)如圖3(b)所示。

圖3 環(huán)氧樹脂灌封固定結(jié)構(gòu)

圖4 不打孔的各種固定方式

在圖4所示的不打孔的各種固定方式中，注意倒刺方向，要方便裝配，為防止內(nèi)導(dǎo)體旋轉(zhuǎn)，可把倒刺銑成兩扁，或銑成三角形;滾花結(jié)構(gòu)中注意具有一定的導(dǎo)向角;補(bǔ)償結(jié)構(gòu)按基本設(shè)計(jì)原則要求進(jìn)行。

有資料顯示，單一環(huán)氧樹脂灌封結(jié)構(gòu)，射頻泄漏隨著頻率的增長(zhǎng)，泄漏越加嚴(yán)重。多數(shù)連接器具有約75～85dB的泄漏量。采用不打孔的固定方式后，將極大地改善其泄漏性能，幾乎無泄漏，具體情況如圖5所示。表2也給出了各種固定方法的電氣性能和中心接觸件固定情況。

圖5 不同固定方式的性能比較

表2 各種不同固定方式的性能比較

4 改兩槽插孔為開槽任選

SMA型射頻同軸連接器的插孔兩槽結(jié)構(gòu)的危害，不像它的薄壁結(jié)構(gòu)和單一環(huán)氧樹脂灌封結(jié)構(gòu)的危害那樣明顯，人們都習(xí)以為常。雖然由此派生出來的3.5mm型和2.92mm型射頻同軸連接器都注意到了它的危害，插孔變?yōu)樗牟郏贛IL－PRF－39012/57G規(guī)定的SMA型射頻同軸連接器，也注意到了兩槽結(jié)構(gòu)的危害，對(duì)插孔的要求變?yōu)椤皟?nèi)導(dǎo)體開槽任選”，但在我國(guó)，對(duì)兩槽結(jié)構(gòu)的危害尚沒有引起人們的足夠關(guān)注。在我國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的SMA型陰性接觸件仍然延用兩槽插孔的結(jié)構(gòu)。兩槽插孔，由于插針和插孔兩接觸件插配時(shí)，接觸部位的接觸面積較小，因而增大了接觸電阻;兩槽插孔，在針、孔接觸件插拔過程中，兩槽插孔的兩片彈性接觸片很像兩把刮刀在刮磨著插針接觸件上的鍍層，這樣大大地降低了產(chǎn)品的使用壽命。

因此建議，在我國(guó)的SMA型射頻同軸連接器標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)插孔接觸件規(guī)定開槽時(shí)，也采取MIL標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定為“內(nèi)導(dǎo)體開槽任選”。這樣，設(shè)計(jì)者可以設(shè)計(jì)為開3槽或4槽。這樣既沒有否定早期的兩槽結(jié)構(gòu)，也不影響和已有SMA型連接器的互配互換，同時(shí)還降低了產(chǎn)品的接觸電阻，提高了產(chǎn)品的機(jī)械壽命，提高了產(chǎn)品的電氣性能。

5 結(jié)語

SMA型射頻同軸連接器是目前國(guó)內(nèi)外用途最廣、用量最大的射頻連接器產(chǎn)品之一。整個(gè)SMA型系列產(chǎn)品規(guī)格有一百多種，生產(chǎn)廠家很多。因此，如何提高SMA型射頻同軸連接器的產(chǎn)品質(zhì)量和使用可靠性，與時(shí)俱進(jìn)，是射頻連接器設(shè)計(jì)者和使用者都非常關(guān)注的問題。針對(duì)我國(guó)目前射頻連接器市場(chǎng)上呈現(xiàn)的延用SMA型射頻同軸連接器最初設(shè)計(jì)的薄壁外導(dǎo)體和兩槽插孔的先天不足，和后期出現(xiàn)的單一環(huán)氧樹脂灌封結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行修正，設(shè)計(jì)時(shí)認(rèn)真實(shí)施，勢(shì)必將大大提高我國(guó)SMA型射頻同軸連接器的質(zhì)量和可靠性水平，為使用SMA型連接器的系統(tǒng)和用戶提供一款優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品。

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10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.002

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1000－6133(2013)02－0003－06

2013－01－08