1.85mm型58GHz毫米波電纜組件的設(shè)計

(上海雷迪埃電子有限公司，上海市， 200072)

1 引言

1.85mm連接界面頻率可達到了67 GHz。隨著工作頻率的提高，近年來1.85mm接口越來越多地應用于通信、測量等系統(tǒng)。尤其許多高端測試儀器是1.85mm接口，目前所用的1.85mm型電纜組件多由國外設(shè)計和制作的，雖然頻率高達67 GHz，價格卻非常貴。目前5G通信正在興起，然而其高頻部分工作頻段僅在38～45GHz附近，所以從成本和實際應用的角度，自行研發(fā)和制作更為可行。本文所研發(fā)的1.85mm F-1.85mm F型半柔性電纜組件,工作頻率可達58GHz。電纜組件的設(shè)計實際上是兩部分的設(shè)計，其一是按選擇的合適電纜線去設(shè)計接電纜的連接器，其二是電纜線與連接器連接的設(shè)計。

2 設(shè)計原理

2.1 同軸射頻連接器的設(shè)計與仿真

同軸連接器的設(shè)計就是同軸線的阻抗匹配設(shè)計。

1)基本的同軸線截面特性阻抗近似公式為：

式中，Z0-理想同軸線的特征阻抗，D/d-外導體內(nèi)經(jīng)/內(nèi)導體外經(jīng)，ε-介質(zhì)相對介電常數(shù)。

傳輸線特征阻抗各段應盡量設(shè)計成接近50ohm,減少阻抗不連續(xù)性。

2)同軸線界面結(jié)構(gòu)采用空氣介質(zhì),減少絕緣子對傳輸線帶來的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性。

3)盡管采取空氣結(jié)構(gòu)，實際結(jié)構(gòu)中仍需要局部絕緣子支撐中心針。在毫米波頻率下絕緣子的結(jié)構(gòu)﹑大小﹑形狀、精度和材質(zhì)對射頻性能影響非常大。采用雷迪埃研制的一種直徑小于2毫米的超小型PEEK樹脂鑄模絕緣子，其射頻性能高達67 GHz。

4)為減少不連續(xù)性得到最佳的射頻性能，連接器采用單個絕緣子。絕緣子為C形。在確保能固定中心針的情況下，絕緣子也僅設(shè)置在連接器腔體局部的一小塊區(qū)域中，使得引入的影響最小。

因為固定絕緣子，從絕緣子處尺寸到前端的界面尺寸和到與電纜線相連的尾部尺寸都是變化的，這樣腔體內(nèi)部和中心針上必然設(shè)有凹槽和凸臺。結(jié)構(gòu)的不連續(xù)過渡，造成阻抗的不連續(xù)性。不連續(xù)的臺階處引入了并聯(lián)電容，采用常規(guī)的預置錯位尺寸△進行補償。通過仿真優(yōu)化△。絕緣子支撐位置的阻抗不連續(xù)還要采用共面補償，由該絕緣子上的槽完成。

5)根據(jù)1.85mm連接器標準和前述公式計算的尺寸參數(shù)，設(shè)計能實現(xiàn)中心針固定和裝配的初始機械結(jié)構(gòu)。采用微波電磁場仿真軟件CST，先對初步設(shè)計的連接器本身仿真。盡可能做到自身結(jié)構(gòu)的50ohm匹配，最大限度降低連接器自身由于機械尺寸引入的不連續(xù)性所造成的駐波。

(a)

圖1(a) 是單獨連接器的仿真結(jié)構(gòu)，它是圖2的一部分。圖1(b)是其VSWR仿真結(jié)果。

2.2 連接器與電纜組件的連接仿真

2.2.1 電纜線的選擇

為使用方便，選擇半柔性 .047規(guī)格的同軸電纜線。供應商給出的插損典型值為9.83 dB/m @40GHz,11.136 dB/m @50GHz,12.914 dB/m @65GHz。該電纜線為中心線、絕緣層、單屏蔽編織層、外護套結(jié)構(gòu)。

2.2.2 電纜組件的仿真

將前面仿真好的連接器與電纜線一起再建立初始三維電纜組件機械結(jié)構(gòu)模型。然后導入到CST微波仿真軟件中，簡化成為3D仿真模型。再次進行電磁場整體仿真和設(shè)計。仿真時設(shè)置變量，調(diào)整和優(yōu)化前述連接器元件內(nèi)部尺寸，特別是連接器和電纜線連接處的結(jié)構(gòu)和尺寸。由于元件尺寸非常小，金加工和裝配的公差，甚至電鍍鍍層厚度，對最終射頻性能都會造成很大影響，所以設(shè)計的結(jié)構(gòu)應盡量簡潔，零件尺寸應盡量便于控制。單端連接器與電纜線的3D仿真模型如圖2所示，考慮理想裝配連接和兩種非理想裝配連接的情況。

由于連接器本身設(shè)計仿真前面已基本完成，所以結(jié)構(gòu)尺寸只需微調(diào)，以下主要是連接器與電纜線的連接仿真問題，連接器與電纜線連接處設(shè)計有另一小絕緣子。在連接器本身匹配較好下，真實電纜組件的射頻性能很大程度取決于連接器與電纜線兩者過渡部分的實際裝配下的匹配。實際連接會產(chǎn)生圖示間隙t和s，t是電纜線介質(zhì)層的間隙，s是電纜線金屬屏蔽層退出連接器腔體的尺寸。下面是單端連接器與電纜線一起的仿真結(jié)構(gòu)的幾種情況示意圖，如圖2(a)、(b)、(c)所示，左邊是連接器，右邊是電纜線。圖2(a)為理想連接情況，2(b)中心針與電纜線焊接時，間隙未控制好電纜線退后，使腔體留下空隙t，而外屏蔽層與腔體的空隙由焊錫填滿。實際焊接時應盡量將絕緣子壓緊，使空隙盡量小。圖2(c)為電纜線焊接時由于電纜線絕緣層熱膨脹凸出，將電纜線推后出現(xiàn)間隙s，而外屏蔽層與腔體的空隙未被焊錫填滿。實際焊接時應盡量控制好溫度和時間。

圖2(a) 連接器與電纜線理想連接狀態(tài)(t=0, s=0)

圖2(b) 電纜線中心線后退導致電纜線介質(zhì)層有間隙(t=-0.1, s=0)

圖2(c) 電纜線屏蔽層退出連接器腔體留下間隙(t=0, s=-0.1)圖2 1.85mm 單端連接器與電纜連接的3D仿真模型內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

間隙1：s 和間隙2：t 的不同狀態(tài)對VSWR影響很大。實際情況還會是s和t的不同組合。由于實際操作時不能完全按照理想狀態(tài)連接而造成偏移，所以實際做出的電纜組件與仿真結(jié)果在頻率高端有較大差別。

下面是長、短兩種電纜組件的仿真模型和VSWR結(jié)果如圖3-圖4所示：圖3只是為了更好仿真連接器與電纜線連接處的匹配性，假設(shè)電纜線長度為4mm， 實際上是不可能做這么短的。圖4為真實情況，電纜線長度為110mm。就理想狀態(tài)與幾種裝配偏差的情況，長、短兩種電纜組件均仿真到70GHz。

圖3(a) 理想狀態(tài)中間電纜長度4mm的電纜組件3D結(jié)構(gòu)圖 (t=0, s=0)與VSWR仿真曲線

圖3(b) 電纜長度4mm的電纜組件VSWR (s=0, t=-0.1,-0.2 sweep)

圖3(c) 電纜長度4mm的電纜組件VSWR仿真曲線 (t=0, s=-0.1,-0.2 sweep)

圖4(a) 電纜長度110mm電纜組件VSWR仿真曲線 (s=0, t=0)

圖4(b) 電纜長度110mm電纜組件VSWR仿真曲線 (s=0, t=-0.1,-0.2 sweep)

圖4(c) 電纜長度110mm電纜組件VSWR仿真曲線 (t=0, s=-0.1,-0.2 sweep)

從仿真曲線看到，當電纜線長度增加后VSWR會產(chǎn)生起伏，與實際情況相符。

2.2.3 工藝實現(xiàn)

在如此高的頻率下，為保證射頻性能中心針采用焊接連接的方式。外屏蔽層也與連接器外殼內(nèi)壁焊接一體。電纜線的剝線將屏蔽層、絕緣層在同一位置一刀切掉，以確保尺寸精確性。電纜中心線的剝線尺寸略比需焊入的連接器中心針內(nèi)孔短一點，防止中心線插入中心針內(nèi)孔時被頂住，造成電纜線后退間隙t。實際裝配焊接時注意中心針尾部與電纜線之間另加入的一個小的絕緣子，如仿真圖2(a)所示，焊接操作時要壓緊，這樣可以更好的控制間隙，連接可靠性也增加。該絕緣子的加工尺寸公差必須控制好。焊接溫度、時間也必須控制好。為了焊接不虛焊，焊錫流入順暢，與電纜線中心線焊接的連接器中心針，以及與電纜線屏蔽層焊接的連接器殼體均開有側(cè)孔。

3 設(shè)計結(jié)果：

3.1 實物照片

圖5 所設(shè)計的電纜組件實物

3.2 樣品測試結(jié)果：

樣品測試在Keysight N5227A(0～67GHz)網(wǎng)絡(luò)分析儀上完成。校準用1.85mm校準件,頻率到67GHz。按標準Port1為1.85mm M, Port2為1.85mm F進行全部12項校準，測試連接及測試結(jié)果如下：

樣品: 1.85mm F-1.85mm F 電纜組件(電纜長度110mm)連接方式:多加一個轉(zhuǎn)接器1.85mm F-1.85mm F(DUT)+1.85mm M-1.85mm M(校準件中的標準件)頻率 (GHz)DC-40GHz40～58GHz 電纜線本身Spec. 典型衰減為:實測值 VSWRmax<1.21.3實測值 IL(dB)max(包含多加的轉(zhuǎn)接器的插損)1.451.78 9.83 dB/m@40GHz,11.136 dB/m@50GHz,12.914 dB/m@65GHz

駐波比插損測試曲線如圖6：

測試結(jié)果與仿真結(jié)果在40GHz下基本吻合，曲線趨勢一致，在40GHz以上，由于零件加工的精度、鍍層厚度和裝配的誤差會使理想連接狀態(tài)下VSWR理論值與實際值有一些差別，特別電纜線與連接器的連接誤差造成射頻性能偏差加大，畢竟工藝的控制相當困難，不過測試結(jié)果也比較符合我們仿真中的預測。工藝上需進一步改進。另外仿真只仿真了同一時間單個參數(shù)偏移的情況，實際情況是多個參數(shù)同時偏移，這樣VSWR還會增加一些。即使這樣單參數(shù)偏移的仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果，直到67GHz曲線趨勢也基本一致。另外剝線尺寸準確性也很影響射頻性能。絕緣子介電常數(shù)的偏差，也是仿真與實測偏差的原因之一。

圖6 電纜組件+轉(zhuǎn)接器: 1.85mm F-1.85mm F(DUT)+1.85mm M-1.85mm M(校準件中的標準件)頻標對應，Mark1, 26.5GHz; Mark2, 40GHz; Mark3, 45GHz; Mark4, 55GHz或56GHz; Mark5 58GHz, 頻標見曲線。

實際上絕緣子介電常數(shù)還是隨頻率的變化而變化的。仿真時假定連接器與電纜線均為理想無耗損，損耗僅來自反射。最終實際電纜組件的損耗等于電纜線的介質(zhì)損耗+連接器介質(zhì)損耗+組件反射損耗，其中組件的反射損耗包括連接器兩端界面的反射損耗，連接器與電纜線兩端連接的內(nèi)部反射損耗，還有附加測試轉(zhuǎn)接器的損耗。由此電纜組件實測結(jié)果與電纜廠家給出的數(shù)值是相符的。

4 結(jié)論：

設(shè)計結(jié)果在當前的使用場合是可以接收的。根據(jù)測試結(jié)果，要求不太高的情況下直到67GHz也是可以用的。