一種SMP(M)型射頻連接器的研制

劉斌 武婷 王惟迪 王榕欣

摘要：本文介紹了一種SMP（M）型射頻同軸連接器的研制開發(fā)過程。

引言：

連接器用于裝接在電纜上或安裝在儀器設(shè)備上起連接作用的元件，它與另一輔助配對的連接器在兩個或多個電路之間進行重復(fù)的電氣連接和分離，既起機械連接作用，又保證電磁信號和能量的順利傳輸。從本質(zhì)上看，同軸連接器是一段帶有連接結(jié)構(gòu)的非均勻同軸連接體，不均勻是由不可避免的臺階結(jié)構(gòu)形成的，這些臺階結(jié)構(gòu)保證連接器內(nèi)、外導(dǎo)體相對位置的固定以及與同軸電纜內(nèi)、外導(dǎo)體的連接。

上海某研究所委托我公司研制的連接器外形如圖1，此連接器屬于SMP系列，是一種盲配式連接器，允許軸向和徑向有一定失配量，使用頻率高、連接快速、抗振性強。按照連接界面不同，可分全擒縱、有限擒縱、光孔三種結(jié)構(gòu)。

1 用戶對產(chǎn)品指標要求

滿足GJB 5246-2004《射頻連接器界面》中SMP系列插針接觸件連接器界面;

特性阻抗：50Ω;頻率：0～30GHz（DC）;電壓駐波比：VSWR≤1.4;

氣密封，漏率不大于1.01×10-3Pa·cm3 /s;外殼與內(nèi)導(dǎo)體表面在鍍鎳基層上鍍金。

2 初步確定產(chǎn)品設(shè)計方案

2.1連接器在設(shè)計中要遵循的原則

同軸連接器設(shè)計主要依據(jù)同軸傳輸線理論，在設(shè)計中要在遵循：

（1）要保持特性阻抗一致，每一橫截面處盡可能使特性阻抗Z0等于標稱值。

（2）對每一截面不可避免的阻抗不連續(xù)，應(yīng)采取適當(dāng)?shù)难a償措施。

（3）盡量減小機械公差對電性能的影響。設(shè)計時應(yīng)將尺寸公差控制在合理范圍內(nèi)，制造中應(yīng)保證設(shè)計要求。

2.2 根據(jù)用戶要求及連接器設(shè)計原則，設(shè)計方案需：

（1）采用《射頻連接器界面》中SMP系列插針接觸件界面。

（2）采用玻璃介質(zhì)燒結(jié)固定，內(nèi)外導(dǎo)體材料均采用可伐合金，來滿足氣密封要求。

（3）每個截面特性阻抗一致，本產(chǎn)品為50Ω，特性阻抗近似公式為：

（D為外導(dǎo)體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑，ε為介質(zhì)相對介電常數(shù)）。

依據(jù)上述，可初步確定連接器設(shè)計方案如圖2。這種方案內(nèi)導(dǎo)體、外殼與玻璃一體燒結(jié)固定，如果能夠?qū)崿F(xiàn)是最好的。

3 設(shè)計方案的改進

3.1考慮縮短玻璃燒結(jié)長度

圖2方案內(nèi)外導(dǎo)體間玻璃燒結(jié)橫向間隙太小，軸向燒結(jié)長度相對太長，我公司現(xiàn)工藝制造水平實現(xiàn)難度較大，如果采用2～3mm的玻璃燒結(jié)長度較易實現(xiàn)（圖3）。

圖3方案，連接器左段為空氣介質(zhì)，右段為玻璃介質(zhì)，玻璃燒結(jié)長度為2.21。

仔細計算后分析，這種結(jié)構(gòu)存在明顯問題：為滿足阻抗50Ω要求，空氣段外殼內(nèi)徑僅0.89，這種結(jié)構(gòu)與SMP對應(yīng)陰頭插接時會出現(xiàn)短路，這是要堅決避免的;玻璃燒結(jié)左端玻璃體不易定位，形成較大的玻璃錐，阻抗一致性較差;空氣段較長，玻璃燒結(jié)段較短，易損。

3.2 改進圖3方案

對圖3方案改進，空氣段內(nèi)導(dǎo)體直徑為0.6，由公式○1可算出對應(yīng)外殼內(nèi)徑，得圖4設(shè)計方案，該方案雖然可解決連接器對接短路問題，但其余兩點不足仍不能解決。

繼續(xù)調(diào)整設(shè)計方案，對空氣段改用絕緣支撐，得圖5方案，這種方案可避免連接器對接短路，也可克服連接器玻璃段易損，但連接器內(nèi)部介質(zhì)分三段，阻抗一致性很差。為此，決定連接器內(nèi)部介質(zhì)采用兩段，左段為絕緣支撐，右段玻璃燒結(jié)，如圖6方案。

3.3 優(yōu)化設(shè)計得設(shè)計方案

在借鑒以往連接器設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對絕緣支撐進一步改進：加空氣補償段、倒刺和放氣間隙，并對外殼做相應(yīng)調(diào)整，形成圖7連接器設(shè)計方案。

4 設(shè)計方案的仿真設(shè)計

有了產(chǎn)品設(shè)計方案，在產(chǎn)品制造前需進行設(shè)計方案的計算機仿真，對方案進一步優(yōu)化改進。HFSS是一款功能強大的三維電磁仿真軟件，在設(shè)計中我們用該軟件進行仿真與優(yōu)化設(shè)計。首先，創(chuàng)立3D仿真模型，將絕緣子空氣補償段直徑和寬度設(shè)為變量，建立模型如圖8。然后，設(shè)置波端口激勵，分析求解，查看結(jié)果，創(chuàng)建場分布圖，如圖9所示。最后，利用軟件中Optimetrics模塊的參數(shù)掃描和優(yōu)化設(shè)計功能對絕緣子空氣補償段進行設(shè)計優(yōu)化。

5 樣品試制和產(chǎn)品性能測試

確定了產(chǎn)品設(shè)計方案，我們設(shè)計產(chǎn)品測試工裝，如圖10。然后，進行樣件生產(chǎn)及測試工裝生產(chǎn)。樣件和測試工裝制造完成后，測試產(chǎn)品各方面性能，測試結(jié)果滿足預(yù)期要求。

作者簡介：劉斌，男，碩士研究生，2011年畢業(yè)于吉林大學(xué)機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所設(shè)計員;

武婷，女，工程碩士，2018年畢業(yè)于西安郵電大學(xué)電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所工程師;

王惟迪，女，工程師，2007年畢業(yè)于安陽師范學(xué)院計算機科學(xué)與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所工程師;

王榕欣，女，高級工程師，1996年畢業(yè)于西安工程大學(xué)機械設(shè)計專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所高級工程師;

閆玉凱，男，碩士研究生，現(xiàn)就讀于西安電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院電子與通信工程專業(yè)，研究方向為射頻技術(shù)及陣列天線設(shè)計。