一種擴(kuò)頻的射頻連接器的設(shè)計

徐敏，黃森，馮永芳

（蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇 蘇州 215129）

近年來，隨著我國整機(jī)設(shè)備的快速發(fā)展，射頻連接器作為使用越來越廣泛，使用頻率越來越高。固有的頻率已經(jīng)不能滿足整機(jī)設(shè)備的要求，不斷出現(xiàn)了對現(xiàn)有射頻連接器進(jìn)行擴(kuò)頻使用的要求。本文主要通過介紹一款N系列接電纜射頻連接器（以下簡稱連接器）的擴(kuò)頻設(shè)計，闡述擴(kuò)頻的原理和方法。

1 連接器頻率

現(xiàn)有技術(shù)的N系列射頻連接器的使用一般按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定最高使用到11GHz進(jìn)行使用，一旦超過規(guī)定的頻率，電氣性能指標(biāo)迅速降低，無法滿足使用，限制了產(chǎn)品的使用范圍。隨著整機(jī)設(shè)備的發(fā)展，對同軸連接器的要求不斷提高，需要在連接器界面可以互換的條件下，提高使用頻率，最高要求到18GHz?，F(xiàn)有連接器結(jié)構(gòu)無法滿足，必須采用新的連接器結(jié)構(gòu)，才能提高產(chǎn)品的使用頻率。

2 連接器的設(shè)計

連接器的設(shè)計是針對現(xiàn)有技術(shù)的不足而提供的一種擴(kuò)頻的射頻連接器，它通過降低傳輸介質(zhì)的介電常數(shù)，優(yōu)化電纜與連接器的連接方式，實現(xiàn)了連接器產(chǎn)品使用頻率的整體提升，由原來的11GHz提升到18GHz，既滿足了更高頻率的應(yīng)用需求，又提供了一種典型的擴(kuò)頻方式。

擴(kuò)頻的連接器它包括螺套1、橡膠墊2、擋圈3、第一介質(zhì)體4、內(nèi)導(dǎo)體5、第一套筒6、第二介質(zhì)體7、外導(dǎo)體8、第二套筒9以及螺釘10組成。（如圖1）。

圖1 擴(kuò)頻連接器的結(jié)構(gòu)

連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計涉及連接器的界面，介質(zhì)體的設(shè)計，電纜的固定方式，理論計算牽涉到連接器阻抗，頻率，內(nèi)外導(dǎo)體和絕緣介質(zhì)的尺寸。

2.1 介質(zhì)體的設(shè)計

影響使用最高頻率的部件主要為第一介質(zhì)體和第二介質(zhì)體，這兩個介質(zhì)體為非空氣介質(zhì)，相比空氣介質(zhì)來講，最高使用頻率較低。為達(dá)到產(chǎn)品的使用上限頻率，連接器和電纜過渡區(qū)域的補(bǔ)償是產(chǎn)品能否滿足使用頻率到達(dá)18GHz的關(guān)鍵點之一。傳輸高頻率的射頻信號，需要對內(nèi)導(dǎo)體每個變化的截面進(jìn)行阻抗補(bǔ)償，但實體介質(zhì)的介電常數(shù)（2.02～2.08）偏高，完全空氣介質(zhì)又無法對內(nèi)導(dǎo)體起到支撐作用。通過一系列技術(shù)研究分析，通過在聚四氟乙烯介質(zhì)圓周均勻增加空氣孔變?yōu)榛旌辖橘|(zhì)的方式降低其介電常數(shù)，確保內(nèi)導(dǎo)體過渡界面的特性阻抗匹配，可通過仿真形式確定空氣柱的位置和大小，如圖2所示。

圖2 混合介質(zhì)的介質(zhì)體

2.2 連接器的工作頻率

（1）傳輸系統(tǒng)理論計算。根據(jù)連接器的技術(shù)要求，為了保證最高使用頻率為18GHz和阻抗為50Ω的射頻信號的正常傳輸，需要確定對應(yīng)的尺寸和相應(yīng)的參數(shù)。理論計算以工作頻率和特性阻抗為基礎(chǔ)，同時進(jìn)行計算和滿足，逐步確定相應(yīng)的技術(shù)參數(shù)。

連接器的工作頻率和特性阻抗可近似的用公式表示為公式（1）和（2）。

其中：f為最高使用頻率，Z0為產(chǎn)品特性阻抗，ε為介質(zhì)體介電常數(shù)，空氣為1.0，聚四氟乙烯為2.02，D為外導(dǎo)體的內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體的外徑。

連接器要滿足18GHz的使用頻率，采用了混合介質(zhì)的方式，當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體外徑不變的情況下，不斷增加混合介質(zhì)中空氣的比例，以降低介電常數(shù)，提高使用截止頻率。當(dāng)達(dá)到18GHz以上時，即確定混合介質(zhì)中的空氣和聚四氟乙烯的比例，確定空氣柱的大小和數(shù)量。

（2）電纜的固定結(jié)構(gòu)。電纜的固定結(jié)構(gòu)主要通過將焊接套筒和電纜屏蔽層進(jìn)行焊接后，通過螺釘將焊接套筒固定的方式進(jìn)行。

焊接套筒應(yīng)有臺階進(jìn)行定位電纜屏蔽層端面，應(yīng)有倒角使焊錫能夠順利流入，應(yīng)有觀察孔用于觀察焊錫的流入情況，見圖3。為了保證焊接能夠滿足要求，可通過X光進(jìn)行檢查。

螺釘應(yīng)有六角面用來施加規(guī)定的力矩進(jìn)行擰緊，內(nèi)腔1用來保護(hù)焊接套筒，內(nèi)腔2用來保護(hù)電纜焊接尾端。電纜護(hù)套必須伸入內(nèi)腔2中，才能保護(hù)焊點，見圖4，螺釘鎖緊后，電纜被可靠的固定在連接器中，見圖5。

圖3 焊接套筒結(jié)構(gòu)

圖4 螺釘結(jié)構(gòu)

圖5 螺釘鎖緊后

（3）補(bǔ)償設(shè)計。補(bǔ)償設(shè)計一般有錯位補(bǔ)償和共面補(bǔ)償。本連接器主要補(bǔ)償位置為連接器和電纜之間的過渡部分，當(dāng)電纜芯線接入內(nèi)導(dǎo)體的過程中，內(nèi)導(dǎo)體和電纜芯線外徑不一致，需要進(jìn)行補(bǔ)償才能夠順利進(jìn)行過渡。錯位補(bǔ)償?shù)脑頌樵黾右欢胃咛匦宰杩沟慕Y(jié)構(gòu)，焊接套筒形成的臺階空氣間隙以及補(bǔ)償介質(zhì)均用于過渡部分的補(bǔ)償，見圖3所示臺階，通過HFSS參數(shù)化仿真可以找出合理的控制范圍。

3 結(jié)構(gòu)仿真

當(dāng)連接器的材料和結(jié)構(gòu)都確定下來之后，需要通過仿真進(jìn)行模擬運(yùn)算，并對結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

對連接器的傳輸結(jié)構(gòu)建立3D仿真模型，對一些未確定的結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化設(shè)置，如介質(zhì)體圓柱孔的大小，設(shè)置圓柱孔分別為1.6～2.2，每隔0.1變化一次，共7個尺寸，設(shè)置一個仿真區(qū)間，確定最優(yōu)尺寸，模型見圖6。

對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，結(jié)果如圖7，通過仿真結(jié)果可以看出，連接器可以滿足要求，且通過參數(shù)化仿真，找出最優(yōu)的空氣柱大小，通過仿真結(jié)果可以確定空氣柱外徑最優(yōu)尺寸。

圖6 仿真模型

圖7 最優(yōu)的仿真結(jié)果

4 驗證結(jié)果

根據(jù)擴(kuò)頻的連接器結(jié)構(gòu)制造出來的產(chǎn)品的檢測，均能滿足在18GHz條件下的使用要求。典型的連接器使用頻率及對應(yīng)的電壓駐波比實測曲線圖如圖8所示。

圖8 連接器電壓駐波比實測曲線圖

5 結(jié)語

擴(kuò)頻的射頻連接器實現(xiàn)了介質(zhì)體和電纜固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計，并進(jìn)行了補(bǔ)償設(shè)計，通過模擬仿真進(jìn)行驗證和優(yōu)化，使產(chǎn)品理論可靠性高，通過實物的檢測證明了連接器達(dá)到了擴(kuò)頻要求。