一種新型SMA型相位可調(diào)射頻連接器的設(shè)計

蔡曉濤

(北京無線電計量測試研究所， 北京100854)

0 引言

伴隨著國內(nèi)外相控技術(shù)的廣泛應(yīng)用，對射頻連接器件的相位一致性提出了很高要求。在實際應(yīng)用中，射頻連接器既要起到機械連接作用，又要保證電磁信號和能量的順利傳輸［1］。從本質(zhì)上說，射頻連接器是一段帶有連接結(jié)構(gòu)的非均勻同軸連接體，之所以不均勻是由不可避免的臺階結(jié)構(gòu)形成的，這些結(jié)構(gòu)必須保證內(nèi)、外導體相對位置的固定以及與同軸電纜內(nèi)、外導體的連接［2］。SMA型系列連接器是一種非常常用的射頻連接器，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于航空、航天、雷達、微波通信、儀器儀表等領(lǐng)域［3］。電纜組件是由射頻同軸連接器和射頻同軸電纜組合而成的，在電纜組件的研發(fā)設(shè)計中，電壓駐波比是一個非常重要的參量，它實質(zhì)上是對電纜組件傳輸特性阻抗的均勻程度以及對傳輸信號反射大小的反映，同時也反映了該電纜組件在電子系統(tǒng)中與系統(tǒng)的匹配程度［4-6］。

在相控陣技術(shù)中提到的相位一致性，是指電纜組件中任意兩組電纜的相位一致，或者二者的相位差控制在可以接受的范圍。影響電纜組件相位一致性的因素很多，例如:電纜組件的物理長度、介質(zhì)的介電常數(shù)、溫度和電纜彎曲度等。其中，相同工藝條件、相同溫度下，電纜組件的物理長度對一組電纜組件的相位一致性有很大影響。目前，國內(nèi)外在電纜組件相位一致性方面已經(jīng)進行了大量研究，研究人員通過改進工藝，從儀器設(shè)備和工裝上可以有效地保障電纜組件的相位一致性。這種方法雖然可以在一定程度上提高電纜組件的相位一致性，但對設(shè)備要求特別嚴格，增加了產(chǎn)品的加工生產(chǎn)成本。在實際加工生產(chǎn)中，所加工的電纜組件如果出現(xiàn)相位差異，就必須進行返修，勢必會對電纜組件造成一定的損傷，影響組件的性能指標。

本文針對電纜組件在相位一致性方面存在的問題，提出了一種相位可以調(diào)節(jié)的射頻電纜連接器。該連接器配接射頻同軸電纜，加工成電纜組件，可以通過螺紋結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)連接器內(nèi)導體和外導體物理長度的連續(xù)調(diào)節(jié)，從而實現(xiàn)整個電纜組件相位特性的改變。為了保證所設(shè)計的連接器在實現(xiàn)相位調(diào)節(jié)的同時具有較好的電性能指標，通過采用共面補償優(yōu)化設(shè)計方法，引入了補償臺階和補償墊片，有效地補償了連接器設(shè)計中臺階突變所引入的不連續(xù)電容。通過對影響電纜組件電壓駐波比特性和相位一致性關(guān)鍵因素的分析，提出的相位可調(diào)連接器在工作頻率DC～18 GHz范圍內(nèi)，可以對電纜組件的相位進行有效調(diào)節(jié)，并且具有較好的電壓駐波比特性。

1 結(jié)構(gòu)及設(shè)計

常用的SMA型射頻同軸連接器主要由內(nèi)導體、外導體和絕緣支撐等部分組成。為了支撐和固定內(nèi)導體與外導體的相對位置，內(nèi)、外導體之間設(shè)計有絕緣支撐。目前，設(shè)計絕緣支撐的常用材料有聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等［2］。為了保證連接器內(nèi)支撐段和空氣段特性阻抗一致，同軸連接器每個截面的特性阻抗應(yīng)盡可能與所接電纜的特性阻抗保持一致［7］。射頻同軸連接器的特性阻抗公式為

式中:Z0為射頻連接器的特性阻抗，常用值有50 Ω和75 Ω;εr為絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù);D和d分別為外導體的內(nèi)徑和內(nèi)導體的外徑［8］。

常用的射頻同軸電纜傳遞信號實際上就是電磁波在同軸電纜上傳播。對于在真空中傳播波長為λ的電磁波，在同軸電纜中的波長為λε=λ/，εr為同軸電纜中傳播媒質(zhì)的相對介電常數(shù)。一個波長在時間上對應(yīng)一個周期，在相位上對應(yīng)于2π，所以每毫米對應(yīng)的相位為2π/λε。所以，相位差和機械長度差之間的對應(yīng)關(guān)系為

相位本質(zhì)上是反映信號位置的物理量，所以，相位的大小體現(xiàn)的是信號相對位置的超前與滯后。為了保證信號的相位一致性，避免一組信號出現(xiàn)相位差，在高頻通信中對射頻電纜組件的相位一致性要求很高。表1給出了在空氣媒質(zhì)(εr=1)中1°相位在不同頻率所對應(yīng)的單位波長。

表1 1°相位在不同頻率所對應(yīng)的單位波長(εr=1)

根據(jù)一種常用的半柔性相位穩(wěn)定射頻同軸電纜160A的特性參數(shù)，設(shè)計了一種與之配接的SMA型相位可調(diào)射頻同軸連接器SMA-J160XT。根據(jù)優(yōu)化設(shè)計的結(jié)果，加工了連接器實物，并配接射頻穩(wěn)相同軸電纜160A，裝配電纜組件，實物照片如圖1所示。

圖1 電纜組件的實物圖

2 結(jié)果及分析

由于所要連接的射頻同軸電纜160A的特性阻抗為50 Ω，即式(1)中 Z0=50 Ω，所以，根據(jù)阻抗匹配的要求，與該電纜配接的SMA型連接器SMA-J160XT也必須具有50 Ω的特性阻抗。影響射頻連接器阻抗特性的參量有絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)εr、外導體內(nèi)徑D和內(nèi)導體外徑d。該SMA型相位可調(diào)連接器的絕緣支撐采用聚四氟乙烯材料，其相對介電常數(shù)為2.02。將絕緣支撐的相對介電常數(shù)εr帶入式(1)計算可得

采用聚四氟乙烯絕緣支撐部分的外導體與內(nèi)導體直徑之間的比值滿足式(3)的關(guān)系。同理，從連接器的結(jié)構(gòu)圖中可以看出，絕緣介質(zhì)部分采用空氣介質(zhì)，其相對介電常數(shù)約為1。將空氣絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)帶入式(1)計算可得

采用空氣介質(zhì)部分的外導體與內(nèi)導體直徑之間的比值滿足式(4)的關(guān)系。

利用基于有限元法(FEM)的電磁仿真軟件Ansoft HFSS 11.0對所設(shè)計的SMA型相位可調(diào)射頻連接器進行建模仿真并對重要結(jié)構(gòu)參數(shù)進行優(yōu)化。在HFSS中所建立的SMA型相位可調(diào)射頻同軸連接器SMAJ160XT的模型如圖2所示。

圖2 SMA-J160XT射頻連接器的HFSS模型

從連接器的HFSS模型圖中可以看出，所設(shè)計的SMA型相位可調(diào)連接器主要由三部分組成:端口連接部分、相位可調(diào)部分、射頻電纜部分。

1)端口連接部分:依據(jù)SMA型連接器軍用標準GJB-5246要求，選擇內(nèi)導體的外徑為1.27 mm。該部分所選用的絕緣介質(zhì)為的聚四氟乙烯材料，相對介電常數(shù)約為2.02，該固態(tài)介質(zhì)可以有效固定連接器的內(nèi)導體和外導體的相對位置。根據(jù)式(3)計算可得外導體的內(nèi)徑為4.1 mm。端口連接部分完全滿足50 Ω阻抗特性要求。

2)相位可調(diào)部分:由于所設(shè)計的相位可調(diào)連接器由內(nèi)導體、外導體和絕緣介質(zhì)三部分組成，所以，要調(diào)節(jié)連接器的物理長度，必須同時改變內(nèi)導體、外導體和絕緣介質(zhì)的物理長度。該相位可調(diào)部分采用空氣介質(zhì)，選擇外導體的內(nèi)徑為5 mm，根據(jù)式(4)計算可得該部分的內(nèi)導體外徑為2.25 mm。相位可調(diào)部分在未改變物理長度的情況下完全滿足50 Ω阻抗特性要求。

3)射頻電纜部分:所設(shè)計的相位可調(diào)連接器配接的射頻同軸電纜為一種可以用到18 GHz的具有機械相位穩(wěn)定性的柔性電纜。表2給出了該電纜相位的機械穩(wěn)定性。所選擇的該相位穩(wěn)定電纜完全滿足50 Ω阻抗特性要求。

表2 電纜相位的機械穩(wěn)定性

由于所設(shè)計的相位可調(diào)射頻連接器的每個部分都各自滿足50 Ω阻抗特性要求。但各個部分之間相互連接，在連接處由于內(nèi)、外導體直徑的突然變化，不可避免地出現(xiàn)了臺階，引入了不連續(xù)電容，破壞了整個連接器的阻抗特性，影響了連接器的電性能指標。為了使所設(shè)計的連接器具有較好的阻抗匹配特性，采用共面補償設(shè)計方法，在相互連接部分的不連續(xù)部分設(shè)計了共面補償臺階和共面補償墊片。

在端口連接部分和相位可調(diào)部分之間設(shè)計有聚四氟乙烯補償臺階。引入的補償臺階厚度一般應(yīng)小于外導體的直徑，而且厚度越薄越好。根據(jù)加工精度情況，選擇補償臺階厚度為0.5 mm。圖3給出了補償臺階的直徑d1對所設(shè)計連接器電壓駐波比VSWR性能的影響。從圖中可以看出，所引入的共面補償臺階對整個連接器的電性能指標影響較大，通過設(shè)計共面補償臺階可以有效補償兩段同軸線之間臺階變化所引入的不連續(xù)電容，根據(jù)連接器對電壓駐波比性能的要求，選擇d1=2.8 mm。

在相位可調(diào)部分和射頻電纜部分之間設(shè)計有聚四氟乙烯補償墊片?？紤]到加工精度，引入的補償墊片厚度與共面補償臺階厚度相同，選擇補償墊片厚度為0.5 mm。圖4給出了所引入的共面補償墊片的直徑d2對所設(shè)計連接器電壓駐波比VSWR性能的影響。從圖中可以看出，所引入的共面補償墊片對所設(shè)計的連接器電性能指標影響較大，通過設(shè)計共面補償墊片可以有效補償所引入的不連續(xù)電容對連接器電壓駐波比性能的影響。根據(jù)連接器對電壓駐波比性能的要求，選擇d2=1.4 mm。

圖3 仿真的補償臺階直徑d1對VSWR特性的影響

圖4 仿真的補償墊片直徑d2對VSWR特性的影響

連接器的阻抗連續(xù)性以及阻抗匹配特性直接影響所設(shè)計連接器的整體電性能指標。通過對影響連接器性能指標的關(guān)鍵尺寸進行優(yōu)化，結(jié)合共面補償臺階和共面補償墊片對連接器性能的影響，得到了整個連接器的阻抗特性。圖5給出了仿真的連接器在工作頻率DC～18 GHz時的Smith阻抗圓圖。從圖中可以看出，通過引入補償臺階和補償墊片，有效地補償了不連續(xù)臺階所引入的不連續(xù)電容;從圖中還可以看出，所設(shè)計的連接器具有較好的阻抗匹配特性，從而保證了連接器具有較好的端口電壓駐波比特性。

圖5 仿真的連接器輸入端口Smith阻抗圓圖

根據(jù)所設(shè)計的SMA型相位可調(diào)射頻連接器加工實物，配接射頻同軸電纜，連接器的內(nèi)、外導體分別與電纜芯線和屏蔽層進行焊接，加工了相位可調(diào)的電纜組件實物。利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀Agilent E8364B對所加工的電纜組件實物的電壓駐波比和相位特性進行測試。

圖6給出了所加工的電纜組件通過調(diào)節(jié)物理長度，整個電纜組件電壓駐波比和相位特性的不同狀態(tài)。圖6a)為電纜組件相位調(diào)節(jié)的初始狀態(tài)，圖6b)～6d)為調(diào)節(jié)相位可調(diào)螺母改變電纜組件電長度后電纜組件的電壓駐波比和相位特性的測試結(jié)果。從圖中可以看出，所設(shè)計的相位可調(diào)電纜組件具有明顯的相位調(diào)節(jié)特性，并且在調(diào)節(jié)相位的同時，保證了電纜組件的電壓駐波比特性。圖7給出了所設(shè)計的相位可調(diào)電纜連接器在不同頻率調(diào)節(jié)相位時，電纜組件所對應(yīng)的電壓駐波比特性。

圖6 電纜組件不同電長度下的VSWR和相位特性

綜合圖6和圖7，可以看出，所設(shè)計的相位可調(diào)射頻連接器在整個工作頻率范圍DC～18 GHz內(nèi)，可以實現(xiàn)電纜組件相位特性的有效調(diào)節(jié)，同時，具有較好的電壓駐波比特性。相位有效調(diào)節(jié)的范圍可以達到0°～15°，在相位可調(diào)范圍內(nèi)，電壓駐波比滿足VSWR＜1.3的電性能指標要求。

圖7 不同頻率調(diào)節(jié)相位差所對應(yīng)的VSWR特性

如圖8所示，所設(shè)計的相位可調(diào)連接器調(diào)節(jié)完相位后，通過旋轉(zhuǎn)套在外導體上的鎖緊螺母，使得鎖緊螺母尾部擠壓外導體尾部的楔形部分發(fā)生向內(nèi)的形變，壓緊外表面帶有螺紋的套筒，從而實現(xiàn)整個相位調(diào)節(jié)部分的固定。通過振動試驗，所設(shè)計的相位可調(diào)射頻連接器完全可以滿足振動試驗要求。鎖緊螺母固定后，再在整個電纜組件上縮上熱縮套管，整個電纜組將裝配完成。

圖8 連接器的尾部固定結(jié)構(gòu)圖

通過螺紋連續(xù)調(diào)節(jié)，所設(shè)計的SMA型相位可調(diào)射頻電纜連接器可以有效解決電纜組件的相位一致性問題，滿足工程中對電纜組件相位一致性的苛刻要求。

3 結(jié)束語

本文提出了一種SMA型相位可調(diào)射頻連接器。通過螺紋連續(xù)調(diào)節(jié)連接器內(nèi)導體和外導體的物理長度，實現(xiàn)了整個電纜組件相位的改變。通過共面補償優(yōu)化設(shè)計，引入共面補償臺階和補償墊片，有效補償了連接器物理臺階所引入的不連續(xù)電容。通過對加工的電纜組件實物進行測試，所設(shè)計的相位可調(diào)射頻連接器在DC～18 GHz頻率范圍內(nèi);通過調(diào)節(jié)物理長度，相位可實現(xiàn)0°～15°的連續(xù)調(diào)節(jié)，測試的電壓駐波比VSWR＜1.3。所提出的SMA型相位可調(diào)射頻連接器結(jié)構(gòu)簡單，相位調(diào)節(jié)方便，可以有效解決電纜組件的相位一致性問題，完全可以滿足相控陣技術(shù)對連接器件相位一致性以及電性能指標的要求，具有較廣闊的應(yīng)用前景。

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