一種多路射頻電連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

石承偉 陳侃 程德帥

摘? 要：隨著軍用電子裝備的發(fā)展，整機(jī)設(shè)備中的集成度越來(lái)越高，集束多路射頻電連接器作為快速互聯(lián)元器件，逐漸成為整機(jī)裝備需求的熱點(diǎn)之一。文章以某機(jī)載雷達(dá)項(xiàng)目的使用需求作為依托，針對(duì)多路射頻電連接器小體積、多功能化、可單路更換調(diào)試的使用要求，設(shè)計(jì)出一種結(jié)構(gòu)新穎的可互聯(lián)互換多路射頻電連接器，通過(guò)理論計(jì)算和ANSYS軟件仿真，對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的合理性。

關(guān)鍵詞：集束多路;射頻連接器;互聯(lián)互換;模塊化;ANSYS仿真

中圖分類號(hào)：TM503.5? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）32-0096-03

Abstract： With the development of military electronic equipment， the integration of the whole equipment is getting higher and higher. As a fast interconnecting component， cluster multi-channel radio frequency electrical connector has gradually become one of the hot spots in the equipment requirements of the whole machine. Based on the application requirements of an airborne radar project， and aiming at the requirements of small size， multi-function， single-channel replacement and debugging of multi-channel radio frequency electrical connector， a novel interchangeable multi-channel radio frequency electrical connector is designed in this paper. Through theoretical calculation and ANSYS software simulation， the product is designed and optimized to verify the rationality of the structure.

Keywords： cluster multiplexing; RF connector; interconnection and interchangeability; modularization; ANSYS simulation

1 概述

隨著軍用電子裝備尺寸的不斷減小，要求設(shè)備中所有器件的集成度越來(lái)越高、尺寸越來(lái)越小。集束高密度快速互連微波傳輸組件由于具有體積小、重量輕、快速盲插、高密度排列、集成度高、頻帶寬等特點(diǎn)，廣泛用于射頻信號(hào)的傳輸和連接。本文根據(jù)用戶的特定需求，設(shè)計(jì)一種多路射頻電連接器，該連接器節(jié)省設(shè)備空間，同時(shí)具有多路信號(hào)同時(shí)傳輸功能，保證整個(gè)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。

2 連接器主要指標(biāo)要求

工作頻率：20GHz;

特性阻抗：50Ω;

電壓駐波比：≤1.2;

傳輸通道：5～8路可以單路拆分的功能;

接口特性：連接器接口可以更換功能。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

受到雷達(dá)內(nèi)部安裝尺寸限制，集束射頻電纜組件模塊插合高度尺寸不允許超過(guò)20mm，需要在已確定的尺寸空間內(nèi)排布合理的組件模塊方案。通過(guò)將固定定位部件和互聯(lián)互配元件一體化設(shè)計(jì)，對(duì)射頻傳輸元件接口進(jìn)行改型，既可以滿足高密度排列、又可實(shí)現(xiàn)單路分別對(duì)接的要求。本產(chǎn)品模塊內(nèi)部為接口可調(diào)換的射頻轉(zhuǎn)接器，可與不同接口的電纜組件進(jìn)行對(duì)接，設(shè)計(jì)方案見(jiàn)圖1，圖中所示為SMP接口轉(zhuǎn)ZSBMA接口連接器。

3.2 模塊化安裝方案

固定板裝置在母板上，通過(guò)螺釘來(lái)連接。母板與雷達(dá)陣面背板連接。母板與固定板、固定板與背板之間通過(guò)不同的螺釘孔連接，以保證螺釘不會(huì)受到剪切力。固定板上設(shè)計(jì)兩排安裝孔，用于與對(duì)端的盲插連接器法蘭孔安裝，固定板也有多種尺寸可供選擇，可以根據(jù)母板中安裝的射頻連接器接口尺寸以及配接連接器的法蘭尺寸來(lái)選型。在設(shè)備工作過(guò)程中引起的振動(dòng)不會(huì)再影響電連接器的緊固性，使設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定的運(yùn)行，滿足產(chǎn)品復(fù)雜的環(huán)境要求，模塊安裝方案如圖2所示。

3.3 連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.3.1 連接器接口設(shè)計(jì)

整個(gè)模塊的內(nèi)部連接器全部設(shè)計(jì)為可通用、可統(tǒng)一替換形式，除在母板中固定的直角彎式轉(zhuǎn)接器為固定部分外，直角彎式轉(zhuǎn)接器的兩端均可以與不同互聯(lián)元件進(jìn)行組合而形成不同的接口。該方案的優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)同一個(gè)模塊中有多種不同的接口，可接盲插界面（SBMA、SMP等）、螺紋式界面（SSMA）、卡口式界面等，又可以根據(jù)用戶的實(shí)際使用需求進(jìn)行調(diào)整，直接接電纜組件，如圖3所示：

3.3.2 連接器直角彎式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

連接器直角彎式結(jié)構(gòu)中間外殼為固定部分，設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于內(nèi)導(dǎo)體及絕緣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。由于結(jié)構(gòu)零部件中內(nèi)導(dǎo)體、絕緣支撐不可避免地存在彎角或直角過(guò)渡， 過(guò)渡部位每一小段的幾何尺寸都各不相同， 由此會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的阻抗不連續(xù)現(xiàn)象，從而會(huì)引起反射系數(shù)及電壓駐波比的增大， 因此必須采取一定的補(bǔ)償措施。本設(shè)計(jì)中內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)彎處采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)彎部分為等直徑彎曲，同時(shí)采用兩個(gè)楔形絕緣支撐在裝在內(nèi)導(dǎo)體上。彎式結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。內(nèi)導(dǎo)體一體式結(jié)構(gòu)可以增加產(chǎn)品可靠性;等直徑彎曲可以提高產(chǎn)品電性能。對(duì)于等直徑彎曲， 可以通過(guò)工藝技術(shù)實(shí)現(xiàn);絕緣支撐尺寸先根據(jù)理論公式計(jì)算得出理論值，再用仿真軟件用變量法得出最優(yōu)值。

射頻信號(hào)在傳輸時(shí)沿著外導(dǎo)體的內(nèi)表面，中心導(dǎo)體的外表面之間的腔體傳輸，以TEM模單模的方式傳輸[1]。考核連接器的最主要的電性能指標(biāo)為電壓駐波比、射頻插入損耗、工作頻率。所謂電壓駐波比，是指射頻傳輸線中由于阻抗失配產(chǎn)生反射功率，反射功率干擾傳輸功率形成駐波，沿傳輸線上的駐波電壓最大值與最小值之比。射頻插入損耗反映為測(cè)量時(shí)等效信號(hào)源與等效負(fù)載的近似匹配。工作頻率上限由產(chǎn)生高階模TEⅡ的下限截止頻率決定。通常可近似地用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：fc-表示連接器的上限頻率;C0-表示電磁波在真空中的傳播速度;D-表示外導(dǎo)體內(nèi)徑;d-表示內(nèi)導(dǎo)體外徑;ε-表示絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

為了使連接器達(dá)到更寬的頻帶，設(shè)計(jì)時(shí)，在保證連接器內(nèi)外導(dǎo)體機(jī)械強(qiáng)度的條件下，盡可能的縮小內(nèi)、外導(dǎo)體直徑;同時(shí)在絕緣介質(zhì)材料的選擇上使用相對(duì)介電常數(shù)較小的聚四氟乙烯材料;在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上，連接器直角轉(zhuǎn)彎處采用空氣、聚四氟乙烯混合介質(zhì)，擴(kuò)大空氣的占空比，達(dá)到降低相對(duì)介電常數(shù)的目的;在絕緣支撐軸向設(shè)計(jì)上，調(diào)整絕緣支撐在連接器內(nèi)的軸向位置，盡量避免絕緣支撐間發(fā)生的諧振問(wèn)題;同時(shí)在內(nèi)、外導(dǎo)體突變的每個(gè)阻抗不連續(xù)處采用合適的補(bǔ)償，提高產(chǎn)品電氣性能，從而達(dá)到提高連接器工作頻率的目的。

根據(jù)射頻同軸連接器設(shè)計(jì)三原則，在充分滿足用戶需要的情況下，采用最簡(jiǎn)潔可靠的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，減少反射點(diǎn)的存在，在每一阻抗變換處進(jìn)行補(bǔ)償，使每一段的阻抗都與標(biāo)稱阻抗相符，保證傳輸線阻抗的均勻性，達(dá)到在盡可能寬的頻帶內(nèi)，有最佳的電氣性能。

特性阻抗：

式中：Z-特性阻抗;D-外導(dǎo)體內(nèi)徑;d-內(nèi)導(dǎo)體外徑;ε-相對(duì)介電常數(shù)。

本產(chǎn)品中采用的聚四氟乙烯材料介電常數(shù)為2.02～2.04，設(shè)計(jì)內(nèi)導(dǎo)體直角彎處直徑φ1.27mm，根據(jù)同軸線橫截面的特征阻抗50Ω計(jì)算公式（3.2）計(jì)算出外導(dǎo)體絕緣支撐的內(nèi)徑為φ4.1mm。利用截止頻率的計(jì)算公式，驗(yàn)證內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸的選定是否合理。本產(chǎn)品的上限工作頻率達(dá)20GHz，要保證連接器的單模截止工作頻率fc>20GHz的1.1倍，即22GHz，其中的10%為設(shè)計(jì)余量。把D=4.1mm，d=1.27mm代入公式：可得出fc=24.96GHz>22GHz，滿足要求[2]。

4 射頻連接器仿真分析

為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在連接器設(shè)計(jì)過(guò)程中，用HFSS軟件對(duì)該產(chǎn)品的電壓駐波比及插入損耗進(jìn)行了微波仿真[3]。

Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator）是Ansoft公司著名的三維微波電磁仿真軟件，具有強(qiáng)大的建模功能、豐富的材質(zhì)庫(kù)和模型庫(kù)，這使得建模工作變得簡(jiǎn)單快捷，再加上強(qiáng)大的宏處理功能和多種掃頻方式，使其成為應(yīng)用最為廣泛的三維微波電磁仿真軟件。它可以模擬波導(dǎo)、空間、微帶線路、同軸線及腔體中的三維電磁場(chǎng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)天線、濾波器、波導(dǎo)器件、連接器等微波器件的仿真模擬和優(yōu)化。

如圖5所示為傳輸通道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中在直角彎處為三角形絕緣子過(guò)渡補(bǔ)償部位，對(duì)直角彎式結(jié)構(gòu)帶來(lái)的特性阻抗的不連續(xù)性，進(jìn)行計(jì)算仿真[4]。

通過(guò)對(duì)關(guān)鍵尺寸設(shè)置變量進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果圖如圖6，根據(jù)仿真結(jié)果最終確定連接器的尺寸。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文論述了多路射頻電連接器模塊的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)，針對(duì)模塊安裝使用空間小、輕量化的要求，設(shè)計(jì)了固定定位元件母板和固定板，實(shí)現(xiàn)了可模塊化安裝更換，可單路單獨(dú)調(diào)試的整體結(jié)構(gòu);通過(guò)理論計(jì)算驗(yàn)證結(jié)構(gòu)合理性，采用HFSS三維仿真軟件針對(duì)連接器射頻通道進(jìn)行建模及仿真，通過(guò)設(shè)置變量的方法，根據(jù)仿真結(jié)果最終確定連接器的尺寸。

參考文獻(xiàn)：

[1]同軸式TEM模通用無(wú)源器件[Z].1982.

[2]李留安，于少軍.多路射頻連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[D].電子產(chǎn)品世界，2011.

[3]閆潤(rùn)卿，李英惠.微波技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京理工大學(xué)出版社，2004.

[4]李明洋.電磁仿真設(shè)計(jì)[M].人民郵電出版社，2010.