SMPM－SMA2.9射頻轉(zhuǎn)接器的設(shè)計

真 瑩

(上海雷迪埃電子有限公司，上海市，200072)

1 引言

SMA2.9是經(jīng)典的連接器界面，采用空氣介質(zhì)，兼容 SMA3.5和 SMA系列，工作頻率達(dá)40GHz;SMPM是一種新型超小型快插式界面，工作頻率高達(dá)65GHz，有滑腔界面和全制動界面可選，符合MIL－STD－348標(biāo)準(zhǔn)。

SMPM型連接器系列在特征和應(yīng)用上與SMP系列相似，但是，其體積要小30%。在高密度板對板連接、天線和其它有限空間里的高性能通信應(yīng)用場合中，比其它盲插和推入式系列更具優(yōu)勢。因其連接快捷及可靠、頻率高、體積小、重量輕等特點(diǎn)，使得此類連接器和電纜組件被廣泛應(yīng)用于通信、測試、測量、航天、軍工、光電等領(lǐng)域。

就目前的市場應(yīng)用情況，頻率范圍基本限于40GHz以內(nèi)，多數(shù)在20GHz以內(nèi)，盡管不需要更高頻率的射頻性能，卻要求結(jié)構(gòu)小型化和快速盲插，所以，SMPM成了最佳選擇。SMPM產(chǎn)品范圍包括連接.047和.085半鋼電纜的連接器、連接PCB和面板的插座以及玻璃燒結(jié)的密閉插座等，因此需要有轉(zhuǎn)接器對提供給客戶的各種不同產(chǎn)品進(jìn)行射頻性能測試。然而，目前所用的SMPM轉(zhuǎn)接器都是由國外設(shè)計和制作，價格很貴。畢竟，測試轉(zhuǎn)接器屬于易耗品，從成本和實(shí)際應(yīng)用的角度最好自己研發(fā)和制作。當(dāng)前只針對40GHz以下，著重20GHz以內(nèi)的產(chǎn)品。為了通用性和兼容性，設(shè)計成SMPM轉(zhuǎn)SMA2.9形式的轉(zhuǎn)接器。

2 設(shè)計原理

2.1 同軸射頻轉(zhuǎn)接器設(shè)計的基本原理

SMPM－SMA2.9同軸轉(zhuǎn)接器實(shí)際上是兩個不同的同軸界面的匹配連接，所以，歸結(jié)為同軸連接器結(jié)構(gòu)的設(shè)計和相互的阻抗匹配問題。

1)傳輸段特征阻抗的設(shè)計應(yīng)盡可能保持一致，減少阻抗不連續(xù)性，盡量設(shè)計為50ohm。經(jīng)典的同軸線截面特性阻抗近似公式為:

式中，Z0——理想同軸線的特征阻抗;

D——外導(dǎo)體內(nèi)經(jīng);

d——內(nèi)導(dǎo)體外經(jīng);

ε——介質(zhì)相對介電常數(shù)。

2)同軸線結(jié)構(gòu)選擇空氣結(jié)構(gòu)，以盡量減少絕緣子對傳輸線帶來的不連續(xù)性。

3)由于兩種界面尺寸相差較大，故采用多級變換結(jié)構(gòu)，將中心針從SMA2.9的相對大直徑尺寸變換到SMPM的小直徑尺寸，腔體內(nèi)徑尺寸也相應(yīng)呈現(xiàn)階梯形。這樣連接器內(nèi)部出現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的不 連續(xù)過渡，從而造成了阻抗的不連續(xù)性。對這種不連續(xù)的臺階處所引入的并聯(lián)電容，采用常規(guī)的錯位補(bǔ)償方法，預(yù)置一定的錯位尺寸△用以抵消臺階造成的附加電容。在接下來的整個轉(zhuǎn)接器的設(shè)計仿真中再對該△進(jìn)行優(yōu)化。另外實(shí)際結(jié)構(gòu)中為了安裝和固定中心針，必然引入絕緣子作為支撐。其支撐處是阻抗不連續(xù)的主要部分之一。絕緣子與腔體不連續(xù)處采用共面補(bǔ)償。

4)由于頻率高，支撐中心針的絕緣子本身結(jié)構(gòu)和尺寸就非常重要。

2.2 絕緣子的設(shè)計與選擇

雖然SMA2.9/SMPM轉(zhuǎn)接器選擇空氣結(jié)構(gòu)形式，空氣段多，高頻性能相對穩(wěn)定，但無論如何必須有絕緣子支撐。絕緣子的大小、形狀和材質(zhì)對射頻電性能影響很大。而且由于頻率很高，轉(zhuǎn)接器中心針和同軸腔內(nèi)經(jīng)尺寸很小，對應(yīng)的絕緣子尺寸也很小。如此小型化的SMPM界面向使用傳統(tǒng)的PTFE沖壓絕緣體所支撐的中心針的結(jié)合力和保持力提出了挑戰(zhàn)。

雷迪埃新近研制了一種超小型PEEK樹脂鑄模絕緣子。由于PEEK樹脂是聚合物熱塑性塑料，具有優(yōu)異的機(jī)械、力學(xué)性能和耐高溫?zé)嵝阅?，以及化學(xué)穩(wěn)定性，使用PEEK樹脂絕緣子的SMPM連接器和相應(yīng)的電纜組件在正常裝配和焊接過程中可承受更多的機(jī)械應(yīng)力和熱能，不至于造成形變，影響性能。中心針的結(jié)合力和保持力比用傳統(tǒng)沖壓的PTFE絕緣子支撐更高。

這種新型的小體積PEEK樹脂絕緣子的直徑小于2mm。采用電磁仿真軟件，優(yōu)化了結(jié)構(gòu)，加上材料的機(jī)械、化學(xué)和熱的穩(wěn)定性，射頻性能一致性也很好。射頻性能高達(dá)65 GHz。它能夠用在大多數(shù)SMPM電纜線以及連接器上。所以，這種絕緣子也是轉(zhuǎn)接器設(shè)計的最佳選擇。

2.3 一對轉(zhuǎn)接器的仿真設(shè)計

將一對同軸轉(zhuǎn)接器連接在一起來仿真設(shè)計，以達(dá)到整體傳輸線的匹配。采用微波電磁場仿真軟件CST，建立三維模型，進(jìn)行電磁場仿真和設(shè)計。先代入前面所述公式計算的初步的尺寸參數(shù)，仿真時設(shè)置變量，不斷調(diào)整和優(yōu)化轉(zhuǎn)接器元件內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸。

將一對 SMPM Male－SMA2.9 Male和 SMPM Female－SMA2.9 Female轉(zhuǎn)接器連在一起仿真，如圖1所示。轉(zhuǎn)接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)的設(shè)計運(yùn)用了錯位補(bǔ)償和共面補(bǔ)償兩種形式。

圖1 一對SMPM－SMA2.9轉(zhuǎn)接器3D仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計仿真過程包括轉(zhuǎn)接器的中心針尺寸，即每級階梯段的長度和直徑，以及相應(yīng)的外腔階梯內(nèi)徑的尺寸，每級臺階變換位置和每個錯位△大小的設(shè)計，還有絕緣子放置的位置。仿真模型還要考慮實(shí)際樣品的可實(shí)現(xiàn)性，以及機(jī)械性能，比如絕緣子與中心針的定位結(jié)構(gòu)和支撐位置，以保證足夠的中心針保持力;產(chǎn)品實(shí)際金加工和裝配可操作性也必須考慮在內(nèi)。由于元件尺寸非常小，金加工和裝配的公差，對最終射頻性能會造成較大影響，所以，設(shè)計的結(jié)構(gòu)應(yīng)盡量簡潔，零件尺寸應(yīng)盡量便于控制。下面是仿真模型結(jié)構(gòu)和最終優(yōu)化的射頻駐波結(jié)果。

圖2 一對SMPMe－SMA2.9轉(zhuǎn)接器的VSWR仿真曲線

雖然SMPM界面頻率可達(dá)65GHz，但 SMA2.9界面頻率只到40GHz。所以，所設(shè)計的轉(zhuǎn)接器只仿真到40GHz。經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化，最終仿真達(dá)到在40GHz以內(nèi)駐波比均小于1.15。

3 設(shè)計結(jié)果

3.1 實(shí)物照片

圖3 所設(shè)計的轉(zhuǎn)接器元件實(shí)物

3.2 樣品測試結(jié)果

實(shí)際制作了樣品。測試在Anritsu 37269D網(wǎng)絡(luò)分析儀上完成。校準(zhǔn)用SMA2.9校準(zhǔn)件，頻率到40GHz。將一對轉(zhuǎn)接器直接連接到儀器的測試端口上測試，其測試結(jié)果如下:

樣品一對轉(zhuǎn)接器SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female頻率(GHz)0～22GHz 22～40GHz實(shí)測值VSWRmax 1.129 1.363實(shí)測值IL(dB)max 0.197 0.381

樣品SMPM Male－SMA2.9 Male(單個轉(zhuǎn)接器:用VNA的Gate功能)SMPM Female－SMA2.9 Female(單個轉(zhuǎn)接器:用VNA的Gate功能)頻率 (GHz)0～22GHz/22～40GHz 0～22GHz/22～40GHz實(shí)測值VSWRmax 1.112/1.221 1.089/1.188

駐波比測試曲線如下:

圖4 (一對轉(zhuǎn)接器:SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female) 駐波比

圖5 (一對轉(zhuǎn)接器:SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female)插入損耗

圖6 用網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域Gate功能測得一只SMP Male－SMA2.9 Male轉(zhuǎn)接器的駐波比

圖7 用網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域Gate功能測得一只SMP Female－SMA2.9 Female轉(zhuǎn)接器的駐波比

測試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，曲線趨勢一致，零件加工的精度和裝配的誤差會使理論與實(shí)際值有一些差別。為了性能更好，今后還需要作一些改進(jìn)，力爭將28GHz左右處的峰值壓下來。

3.3 樣品絕緣耐壓測試結(jié)果

絕緣耐壓＞500 V，測試條件60s，不擊穿;絕緣電阻＞5000 MΩ。

4 結(jié)論

設(shè)計結(jié)果在當(dāng)前的使用場合是可以接收的，可應(yīng)用于通訊領(lǐng)域的配套產(chǎn)品，目前已用于產(chǎn)品的測試。

［1］Radiall SMPM界面定義標(biāo)準(zhǔn).

［2］Radiall SMA2.9界面定義標(biāo)準(zhǔn).