射頻同軸連接器開(kāi)槽內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)分析

曹剛

摘 要：本文重點(diǎn)分析了射頻同軸連接器開(kāi)槽結(jié)構(gòu)原理，以及開(kāi)槽結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。

關(guān)鍵詞：內(nèi)導(dǎo)體；開(kāi)槽結(jié)構(gòu)

一、概述

射頻同軸連接器是微波產(chǎn)品中的基礎(chǔ)無(wú)源器件，一般由外導(dǎo)體、內(nèi)導(dǎo)體、介質(zhì)支撐、螺套等零件組成，采用公頭、母頭對(duì)擰的方式實(shí)現(xiàn)連接，其中內(nèi)導(dǎo)體通過(guò)插針、插孔的對(duì)插，實(shí)現(xiàn)信號(hào)連通。為了保證良好的接觸，母頭內(nèi)導(dǎo)體常采用彈性結(jié)構(gòu)，將公頭內(nèi)導(dǎo)體夾持。彈性結(jié)構(gòu)有多種方式，開(kāi)槽收口方式由于制造成本相對(duì)較低，易于實(shí)現(xiàn)，在連接器產(chǎn)品中被廣泛采用。

開(kāi)槽收口方式，改變了傳輸線的形狀和尺寸，會(huì)產(chǎn)生一定的阻抗誤差，造成一定的信號(hào)反射，所以母頭連接器的性能一般要劣于同類公頭產(chǎn)品。并且由于連接器的多次插拔，會(huì)造成開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的磨損，降低了連接器的使用壽命。所以開(kāi)槽結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，是連接器設(shè)計(jì)中較為重要的部分。

二、開(kāi)槽結(jié)構(gòu)介紹

開(kāi)槽結(jié)構(gòu)就是在母頭插孔端面進(jìn)行縱切，形成各種縱切槽，再進(jìn)行收口處理。一般開(kāi)槽內(nèi)導(dǎo)體采用鈹青銅材質(zhì)，開(kāi)槽收口后，通過(guò)熱處理工藝，使開(kāi)槽部位產(chǎn)生彈性。實(shí)際設(shè)計(jì)中，針對(duì)不同的連接器種類和性能要求，有兩槽、三槽、四槽、六槽、八槽等多種開(kāi)槽結(jié)構(gòu)。圖1是一種典型的四槽結(jié)構(gòu)。

公頭和母頭內(nèi)導(dǎo)體對(duì)插過(guò)程中，母頭由于有彈性收口，對(duì)公頭插針形成夾持力，保證兩根內(nèi)導(dǎo)體的緊密連接，但同時(shí)也產(chǎn)生了插入力，拔出時(shí)產(chǎn)生拔出力。

三、開(kāi)槽結(jié)構(gòu)對(duì)產(chǎn)品性能的影響

（一）對(duì)機(jī)械性能的影響

圖2為內(nèi)導(dǎo)體插入過(guò)程演示圖，在插入過(guò)程中，首先是插針頭部導(dǎo)向錐度先接觸，F(xiàn)i插入力為正壓力和摩擦力在軸向的合力，導(dǎo)向錐度完全插入插孔后，F(xiàn)i插入力=F摩擦力，插入力最大處是在導(dǎo)向錐度插入過(guò)程中產(chǎn)生，拔出力是相反的過(guò)程，這里不再贅述。

過(guò)大的插入力對(duì)內(nèi)導(dǎo)體產(chǎn)生了很大磨損，直接降低了產(chǎn)品的使用壽命。所以開(kāi)槽設(shè)計(jì)中很重要一點(diǎn)是要降低插入力，特別是降低最大插入力。影響插入力的除了公頭的導(dǎo)向角度，還與母頭的壁厚、開(kāi)槽數(shù)量、開(kāi)槽寬度、開(kāi)槽深度等相關(guān)。

開(kāi)槽數(shù)量少，插孔同插針接觸面積小，接觸壓力大，導(dǎo)致插入力比較大。圖3為兩槽和四槽的接觸示意圖，四槽結(jié)構(gòu)接觸面積大于兩槽結(jié)構(gòu)，接觸力降低。經(jīng)對(duì)2.92mm母頭試驗(yàn)驗(yàn)證，在開(kāi)兩槽時(shí)，插入力可達(dá)到5.6N，拔出力為1.8N；開(kāi)四槽時(shí)，插入力降低到1.7N，拔出力為0.7N，這就大大延長(zhǎng)了連接器的壽命，以及提高了連接重復(fù)性。另外在開(kāi)槽尺寸方面，利用工程模擬軟件建模仿真，可知插孔壁厚同插拔力成正比，也就是壁厚越厚，插拔力越大，而開(kāi)槽寬度、開(kāi)槽深度同插拔力成反比。圖4為開(kāi)槽寬度對(duì)插拔力影響的仿真曲線。所以在壁厚較大的情況下，為了降低最大插入力，就要采用更多的開(kāi)槽數(shù)量。同時(shí)縮小開(kāi)槽寬度，加長(zhǎng)開(kāi)槽深度，也會(huì)進(jìn)一步減小插拔力。

（二）對(duì)電氣性能的影響

連接器開(kāi)槽引起的阻抗誤差公式如下

Z0為50Ω標(biāo)準(zhǔn)阻抗，ΔZ0為阻抗誤差，N開(kāi)槽數(shù)量，W為槽寬，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑。

根據(jù)公式，開(kāi)槽數(shù)量和開(kāi)槽寬度，都會(huì)直接影響阻抗精度，引起微波性能的變化。開(kāi)槽越多，阻抗誤差越大。開(kāi)槽越寬，阻抗誤差也變大。但過(guò)小的開(kāi)槽寬度，會(huì)制約收口尺寸，導(dǎo)致接觸力過(guò)小，產(chǎn)生接觸不良，在使用頻段內(nèi)出現(xiàn)反射尖峰。另外盲目加長(zhǎng)開(kāi)槽深度也不可取，過(guò)長(zhǎng)的開(kāi)槽深度會(huì)使開(kāi)槽部分出現(xiàn)較大的塑性變形，反而進(jìn)一步影響電氣性能。

四、小結(jié)

連接器的設(shè)計(jì)，既要考慮電氣性能，又要兼顧產(chǎn)品的可靠性和壽命。根據(jù)不同產(chǎn)品的壁厚，選擇合適的開(kāi)槽數(shù)量，同時(shí)對(duì)開(kāi)槽寬度、開(kāi)槽深度和收口尺寸做相應(yīng)調(diào)整，可進(jìn)一步優(yōu)化插拔力和電氣性能。以2.92mm連接器為例，當(dāng)采用兩槽結(jié)構(gòu)，開(kāi)槽寬度0.2mm情況下，最大插拔力達(dá)到了7N，阻抗誤差0.6%。而采用4槽結(jié)構(gòu)，開(kāi)槽寬度選擇0.1mm情況下，最大插拔力降低到1.1N，阻抗誤差為0.3%，在插拔力和阻抗誤差方面都全面由于2槽結(jié)構(gòu)。所以母頭內(nèi)導(dǎo)體的開(kāi)槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮綜合因素，通過(guò)合理的優(yōu)化調(diào)整，可以實(shí)現(xiàn)理想的綜合指標(biāo)。

參考文獻(xiàn)：

[1]IEEE Std 2872007.2007，9.

[2]林安義.毫米波同軸連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).1993.