一種SMA型微帶連接器設(shè)計(jì)與仿真

張亞鵬,王 翔,馬 丹（陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721006）

一種SMA型微帶連接器設(shè)計(jì)與仿真

張亞鵬,王 翔,馬 丹
（陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721006）

摘 要：本文首先對SMA型射頻同軸連接器進(jìn)行了簡單介紹，然后利用Ansoft公司的HFSS高頻仿真軟件對一種SMA型微帶連接器進(jìn)行仿真、設(shè)計(jì)，并將仿真結(jié)果和實(shí)際測試結(jié)果比較和分析。

關(guān)鍵詞：SMA型微帶連接器；設(shè)計(jì)；HFSS；仿真

1 引言

射頻同軸連接器是微波領(lǐng)域中重要的射頻傳輸元件，因其頻帶寬、連接方便可靠、性能優(yōu)越、成本低廉，在微波通信設(shè)備、儀器儀表及武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。SMA系列射頻同軸連接器具有體積小，頻帶寬，機(jī)械性能優(yōu)越，可靠性高等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用最廣泛的射頻同軸連接器之一。廣泛應(yīng)用于微波通訊，航天航海，武器系統(tǒng)及微波測量設(shè)備等領(lǐng)域。本文將設(shè)計(jì)一種常用的微帶類射頻同軸連接器。

2 技術(shù)要求

客戶對產(chǎn)品的外形尺寸要求如圖1所示，并且根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境，電性能方面提出了以下技術(shù)要求：特性阻抗：50Ω，頻率范圍：DC～18GHz，電壓駐波比：≤1.15，插損：≤0.1dB

3 確定連接器端口尺寸

該連接器端口尺寸的確定，主要由兩部分組成，一個(gè)是SMA陰頭界面尺寸，該尺寸不但要保證同一型號連接器產(chǎn)品的一致性和互換性；另一個(gè)是連接器末端接口尺寸，確定該端口連接器內(nèi)導(dǎo)體外徑尺寸和外導(dǎo)體內(nèi)徑尺寸。

（1） SMA陰頭界面尺寸按照《SMA系列插孔接觸件連接器界面》執(zhí)行，其標(biāo)稱直徑是根據(jù)使用介電常數(shù)為2.02的聚四氟乙烯介質(zhì)給定的。

（2） 確定連接器末端接口尺寸：依據(jù)射頻同軸傳輸線理論知識可以知道，在特性阻抗Z0與產(chǎn)品的內(nèi)導(dǎo)體外徑a、外導(dǎo)體內(nèi)徑b以及介質(zhì)的介電常數(shù)εr存在以下關(guān)系：

從已知條件可知，Z0＝50Ω，εr＝2.02 , b＝3 ，經(jīng)上述公式計(jì)算可知：內(nèi)導(dǎo)體外徑a＝0.9。

4 利用Ansoft HFSS模型仿真及優(yōu)化

4.1 Ansoft HFSS簡介

Ansoft HFSS是Ansoft公司著名的三維微波電磁仿真設(shè)計(jì)軟件，強(qiáng)大的宏處理功能和多種掃頻方式，使其成為應(yīng)用最為廣泛的三維微波電磁仿真設(shè)計(jì)軟件。它可以模擬波導(dǎo)、空間、微帶線路、同軸線及腔體中的三維電磁場，可以方便地實(shí)現(xiàn)天線、濾波器、波導(dǎo)器件、連接器等微波器件的仿真模擬和優(yōu)化。

4.2 建立仿真模型

SMA型連接器參考面端外導(dǎo)體內(nèi)徑為4.1， 內(nèi)導(dǎo)體外徑為1.27；連接器末端外導(dǎo)體內(nèi)徑由客戶外形圖可知為3.0， 內(nèi)導(dǎo)體外徑由計(jì)算可知為0.9；介質(zhì)為聚四氟乙烯，介電常數(shù)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定位2.02；建模仿真時(shí)，前面所述尺寸均為固定值。利用Ansoft HFSS軟件仿真建模如圖2所示。

下一步是端口設(shè)置：將兩端連接器界面設(shè)置成50Ω端口。然后就可以設(shè)置求解條件：點(diǎn)頻10GHz，50次迭代，最大誤差0.01；Fast掃頻方式、0.5－20GHz，分為40份。

4.3 參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化

經(jīng)分析，雖然在DC～18GHz電壓駐波比小于1.15，與我們所需要的結(jié)果比較接近。由于理想狀態(tài)和實(shí)際產(chǎn)品存在如下表所示差異，因此該模型還需進(jìn)一步優(yōu)化。

為了便于進(jìn)行優(yōu)化，在模型中引入?yún)?shù)，如圖3所示。圖中共有7處尺寸：7.60由連接器長度尺寸決定，不可變；4.10和5.60為綜合內(nèi)導(dǎo)體兩端均為插孔形式，考慮到可加工性后給定的固定尺寸；經(jīng)數(shù)次更改參數(shù)仿真得知，內(nèi)外導(dǎo)體的倒刺寬度尺寸和共平面補(bǔ)償尺寸對連接器的電壓駐波比性能影響較大。因此將內(nèi)外導(dǎo)體倒刺的寬度尺寸設(shè)為可變參數(shù)L1，范圍0.3～0.5，每步0.05mm；將共平面補(bǔ)償尺寸設(shè)為可變參數(shù)L2，范圍0.3～0.6，每步0.05mm；設(shè)置顯示參數(shù)然后優(yōu)化。

5 SMA型微帶連接器測試結(jié)果

依據(jù)優(yōu)化后仿真模型制作實(shí)物，外導(dǎo)體選用SUS303不銹鋼，表面鈍化處理；內(nèi)導(dǎo)體選用QBe2鈹青銅，表面鍍金。外形尺寸按照客戶要求，即圖1加工。

由于該SMA型微帶連接器法蘭端為直徑0.5的插孔，因此測量電壓駐波比時(shí)需要用一根直徑0.5的插針將兩個(gè)連接采用背靠背的方法連接起來，組合成一個(gè)雙陰頭轉(zhuǎn)接器進(jìn)行測試。

用背靠背的方法測試出來的是兩個(gè)連接器疊加的結(jié)果，測試結(jié)果曲線走勢與仿真結(jié)果一致。由于兩個(gè)連接器完全，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的級聯(lián)算法，則單個(gè)連接器的駐波比應(yīng)該是測試結(jié)果開平方。由計(jì)算可知結(jié)果滿足客戶要求。

6 結(jié)論

本文介紹了SMA型微帶連接器設(shè)計(jì)、仿真和優(yōu)化的整個(gè)過程，通過借助Ansoft HFSS軟件進(jìn)行建模仿真計(jì)算，為實(shí)際加工連接器提供了有力的依據(jù)。文中將軟件仿真結(jié)果與實(shí)際測試結(jié)果進(jìn)行了比較，基本吻合且滿足設(shè)計(jì)要求，為今后連接器的設(shè)計(jì)開拓了一條快速設(shè)計(jì)和制作的思路，縮短了研制周期，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷振亞.射頻/微波電路導(dǎo)論(第一版)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

作者簡介：張亞鵬（1978-），男，陜西渭南人，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)員，研究方向：射頻連接器設(shè)計(jì)。