一種高性能射頻電纜組件的開發(fā)模式

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(上海航天科工電器研究院有限公司，上海，200331)

1　引言

SMA型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，它大量應(yīng)用于微波通信、航天航空、武器系統(tǒng)及微波測(cè)量等領(lǐng)域。隨著我國(guó)電子技術(shù)和空間技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)系統(tǒng)日趨小型化，連接器的安裝空間越來(lái)越小，對(duì)連接器的要求卻越來(lái)越高。本文所述的SMA-JW3506/JW3506-230射頻電纜組件不但能滿足系統(tǒng)的使用可靠性要求，并且能夠很好滿足系統(tǒng)對(duì)電壓駐波比、插入損耗等的要求。該產(chǎn)品的研制生產(chǎn)，不僅滿足客戶的需求，而且為研制生產(chǎn)高性能射頻電纜組件積累了寶貴的經(jīng)驗(yàn)。

2　研制過(guò)程

2.1　產(chǎn)品主要性能指標(biāo)

1) 二端連接器為SMA彎頭連接器，高度不得超過(guò)11.5mm；

2)性能指標(biāo)：

①頻率：DC-18GHz；

②絕緣電阻：≥1000MΩ；

③耐電壓：≥500V；

④電壓駐波比：VSWR≤1.35；

⑤插入損耗：≤1.2dB；

3)組件長(zhǎng)度為230mm，電纜外徑不得超過(guò)Φ3。

2.2　任務(wù)分解

1)根據(jù)要求，SMA彎頭連接器高度不得高于11.5mm。對(duì)行業(yè)內(nèi)現(xiàn)有產(chǎn)品復(fù)查，高度達(dá)到16mm，不滿足要求。必須重新考慮其軸向長(zhǎng)度。

2)工作頻率達(dá)18GHz， VSWR≤1.35。目前，公司沒(méi)有這種高性能彎頭連接器的設(shè)計(jì)。

3)根據(jù)雙彎頭連接器公式：，可以計(jì)算出單個(gè)彎頭連接器的VSWRmax=1.16，對(duì)于彎式連接器而言這是相當(dāng)苛刻的指標(biāo)。

2.3　設(shè)計(jì)思路

1)為滿足軸向高度不大于11.5，我們進(jìn)行了如下2方面的改進(jìn)。

(1)調(diào)整六角螺套的長(zhǎng)度，由8.5mm調(diào)整到7.5mm；

(2)減少了軸向腔體的長(zhǎng)度，有16.5mm縮短至11.5mm；

原SMA-JW系列尺寸圖，見(jiàn)圖1和SMA-JW3506外形尺寸圖，見(jiàn)圖2。

2)本課題關(guān)鍵點(diǎn)是在18GHz時(shí)， VSWR≤1.35。由于灌膠產(chǎn)品在彎式連接器的使用頻率低于18GHz，一般不用于頻率在16GHz以上產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。所以在此產(chǎn)品的設(shè)計(jì)初期，我們沒(méi)有選擇灌膠結(jié)構(gòu)。這樣對(duì)產(chǎn)品機(jī)械性能有一定的影響。為滿足設(shè)計(jì)要求，我們根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)的積累和外形尺寸的要求提出了4種結(jié)構(gòu)。下面我們分析4種結(jié)構(gòu)的優(yōu)劣。

圖1　SMA-JW系列外形尺寸圖

圖2　SMA-JW3506外形尺寸圖

3)結(jié)構(gòu)分析

結(jié)構(gòu)1：內(nèi)導(dǎo)體沒(méi)有倒刺，軸向上通過(guò)蓋板來(lái)固定介質(zhì)體和內(nèi)導(dǎo)體。

優(yōu)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，性能理論可行

劣：固定性不好，內(nèi)導(dǎo)體端面位置不能固定，受焊點(diǎn)的影響較大。

結(jié)構(gòu)2：根據(jù)結(jié)構(gòu)1進(jìn)行改進(jìn)，加一擋圈固定介質(zhì)體，內(nèi)導(dǎo)體加倒刺，提高了產(chǎn)品的機(jī)械性能。但由于加了擋圈，在補(bǔ)償處的尺寸發(fā)生顯著變化，用HFSS軟件經(jīng)多次仿真都不能得到好的結(jié)果。

結(jié)構(gòu)3：借用2.92系列的結(jié)構(gòu)，介質(zhì)體選擇MPPO。

優(yōu)：從仿真結(jié)構(gòu)看來(lái)，效果很好，完全滿足要求。

劣：(1)在產(chǎn)品的裝配過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)介質(zhì)體很難裝配，且由于介質(zhì)支撐強(qiáng)度不過(guò)，很容易形變。(2)另外由于MPPO的熱變形溫度為125°。而焊接內(nèi)導(dǎo)體的烙鐵或熱風(fēng)槍的溫度遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)125°，在焊內(nèi)導(dǎo)體時(shí)，很容易將介質(zhì)體損壞。

結(jié)構(gòu)4：由于基本的方法都已經(jīng)用到，還是不能滿足要求。最大的原因還是在于電性能和機(jī)械結(jié)構(gòu)的沖突。有沒(méi)有另外的方法可以平衡二者的關(guān)系。

根據(jù)射頻連接器三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則：

(1)在同軸線的每一長(zhǎng)度單元上，盡量保持特性阻抗一致。

(2)對(duì)于每一個(gè)不可避免的阻抗不連續(xù)，施加單獨(dú)的共面補(bǔ)償 。

(3)最大限度地減少電氣性能對(duì)機(jī)械公差的依賴。

為此，我們對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全新的調(diào)整。首先內(nèi)導(dǎo)體除了倒刺外，不增加臺(tái)階。其次將外導(dǎo)體拆分，使腔體的大小易于調(diào)整。其三維圖見(jiàn)圖3和圖4。

圖3　爆炸視圖　　　　　　　 圖4　剖面視圖

4) 仿真結(jié)果

首先從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)來(lái)看，機(jī)械可靠性有較大的提高，且易于裝配和焊接。

重點(diǎn)是寬頻帶高頻性能是否滿足。為保證產(chǎn)品的一致性、低容差敏感性。

我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了三個(gè)方面的仿真。

(1)對(duì)單頭產(chǎn)品的仿真，三維仿真模型見(jiàn)圖5，仿真結(jié)果見(jiàn)圖6。

(2)對(duì)整個(gè)電纜組件的仿真，三維仿真模型見(jiàn)圖7，仿真結(jié)果見(jiàn)圖8。

(3)加公差進(jìn)行仿真。

仿真結(jié)果比較理想，達(dá)到我們的預(yù)期目標(biāo)。

圖5　三維仿真模型

圖6　仿真結(jié)果

圖7　電纜組件三維仿真模型

圖8　電纜組件仿真結(jié)果

5) 對(duì)插入損耗的考慮

因本電纜組件要求電纜的外徑不得大于Φ3。且插入損耗≤1.2dB；由此得出要求的電纜為超低損電纜。根據(jù)篩選，我們選擇GORE公司的微波電纜：CXN3506。根據(jù)插入損耗的計(jì)算公式和電纜插入損耗的大小，得到：插入損耗=0.2*2+2.87*230/1000=1.06，滿足產(chǎn)品要求。

6)裝配

為驗(yàn)證產(chǎn)品正確性，我們裝配了3根電纜組件，見(jiàn)圖9所示。

圖9　電纜組件實(shí)物圖

7)測(cè)試

通過(guò)對(duì)產(chǎn)品的測(cè)試，駐波比滿足要求。測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖10。

圖10　駐波比測(cè)試圖

通過(guò)組件的測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)看，VSWR有的實(shí)測(cè)值大于仿真值，有的卻小于仿真值。其主要原因：

(1)由于連接器模型尺寸與實(shí)際零件尺寸存在一定偏差，如零件的加工公差和裝配過(guò)程中存在的公差等。

(2)測(cè)試時(shí)連接器界面尺寸與模型的界面尺寸有偏差；

(3)實(shí)際裝配中產(chǎn)生的空氣間隙無(wú)法在模型中體現(xiàn)；

(4)組件裝配過(guò)程中，焊接內(nèi)導(dǎo)體時(shí)焊錫溢出。

8)對(duì)策

針對(duì)上述原因，我們提出如下對(duì)策：

(1)通過(guò)仿真和實(shí)踐的不斷對(duì)比，掌握實(shí)際生產(chǎn)的情況，模擬出更為貼近真實(shí)情況的模型；

(2)對(duì)于不可避免的影響因素，在設(shè)計(jì)或裝配時(shí)，要考慮通過(guò)工裝或其他方法減少它帶來(lái)的各種影響；

(3)嚴(yán)格管控質(zhì)量，遵守工藝流程。

2.4　DPA分析

1)為了解產(chǎn)品真實(shí)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，我們對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行了DPA分析，DPA分析報(bào)告見(jiàn)表1。

表1　DPA分析報(bào)告

5失效器件DPA分析3、內(nèi)導(dǎo)體焊接不良　　1、焊點(diǎn)過(guò)大，影響駐波性能；2、錫沿內(nèi)導(dǎo)體外表流入過(guò)多；4、套筒壓配不到位　　套筒在壓配時(shí)，沒(méi)有和外導(dǎo)體1充分接觸，影響插入損耗。6同行業(yè)器件的對(duì)比分析不涉及不涉及不涉及

合格樣品通過(guò)DPA發(fā)現(xiàn)，能滿足產(chǎn)品的使用要求。同時(shí)對(duì)不良樣品進(jìn)行了DPA分析，總結(jié)出各種失效模式。

2)舉一反三

SMA-JW3506/JW3506-230電纜組件的開發(fā)成功，為客戶另外5款產(chǎn)品的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。很快我們就將該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)移植到余下5款產(chǎn)品上，獲得良好的效果。