一種適用于自動化測試的浮動盲配連接器設(shè)計方案

(京信通信技術(shù)(廣州)有限公司，廣東廣州，510730)

1 引言

現(xiàn)有的天線產(chǎn)品連接器主要使用了螺紋進(jìn)行機(jī)械連接，需要使用合適的工具，同時對扭矩的范圍有嚴(yán)格的要求，扭矩過大或過小都會影響測試結(jié)果及接頭的壽命；同時，螺紋連接不方便，不適合快速安裝，使用也性能不好。為了提升產(chǎn)品測試效率，需要有一種浮動盲配的連接，以保證有足夠的配接容差，使產(chǎn)品能夠得到快速、正確的連接。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)連接器接口示意圖

2 連接器方案

在天線產(chǎn)品中，射頻連接器作為信號傳輸聯(lián)接的重要載體，有著非常重要的作用。其不僅僅是機(jī)械連接，更多的涉及到電氣指標(biāo)要求。典型的電氣指標(biāo)：VSWR≤1.15@0.8GHz-3GHz;PIM3≤-120dBm@2x43dBm 。

為了保證連接器的互換性，國標(biāo)對連接器的各類關(guān)鍵特性做了明確的要求。所以，我們的整個設(shè)計實現(xiàn)方案也必須在國標(biāo)的框架上做結(jié)構(gòu)的調(diào)整。

經(jīng)過對方案的評估，我們認(rèn)為實現(xiàn)PIM3(Third Order Passive Intermodulation)是最困難的。因為PIM3要求連接器的接觸壓力T要滿足要求。根據(jù)我們前期的試驗，我們確認(rèn)要保證三階互調(diào)穩(wěn)定，必須保證連接器電氣接觸面的接觸壓強(qiáng)T不小于4Mpa。

我們想到的最直接的方式就是通過氣缸直接推動連接器來實現(xiàn)測試連接。但根據(jù)我們實現(xiàn)的測試結(jié)果分析，我們發(fā)現(xiàn)由于連接器的公母頭同心度無法保證，經(jīng)常出現(xiàn)測試結(jié)果差異大，重復(fù)性差。考慮到待測產(chǎn)品(DUT)本身就會有較大的差異(實現(xiàn)隨機(jī)測試，DUT上的連接器位置偏差達(dá)到0.15mm)，即使我們通過工裝來保證器件的每次位置都絕對統(tǒng)一也很難保證測試的要求(同軸度要求0.015-0.02mm)。

有鑒于此，我們考慮設(shè)計一下浮動盲配的連接器，其通過合理的結(jié)構(gòu)，允許通過導(dǎo)向裝置來實現(xiàn)產(chǎn)品的自居中，保證測試結(jié)果可信。

圖2 浮動連接器示意圖

3 連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 參數(shù)設(shè)計

為了使連接器接觸可靠，有良好的三階互調(diào)表現(xiàn)，需要保證接觸面的壓強(qiáng)高于4MPa。

1)對于N型連接器，接觸圓環(huán)內(nèi)徑為7mm，外徑為8mm，則接觸面積為：11.78mm2；

2)對于Din型連接器，接觸圓環(huán)內(nèi)徑為16mm，外徑為18mm，則接觸面積為：53.4mm2。

即，為保證有合適的接觸壓強(qiáng)，需要彈簧工作時提供的壓力如下：

1)對于N型接頭，F(xiàn)min=11.78×4=47N；

2)對于Din型接頭，F(xiàn)min=53.4×4=213N。

考慮到彈簧壓縮時，合適的壓縮量為彈簧自由高度的20%-80%，即彈簧的初始壓緊力最小為Fmin/4。結(jié)合連接器的實際尺寸，初步界定彈簧的工作行程為8mm。由此，我們可知彈簧的剛度系數(shù)至少為：k=(Fmin-Fmin/4)/8。即對于N型連接器，預(yù)估彈簧的剛度系數(shù)為4.4N/mm；對于Din型連接器，預(yù)估彈簧的剛度系數(shù)為20N/mm?？紤]到實際的工作行程可調(diào)整，即上述的剛度系數(shù)可做適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，允許有±10%的偏差。

另外，對于N型接頭，我們知道由于插孔的阻抗匹配要求，接頭外殼尺寸最小為8mm(殼體厚度為0.5mm)，但為保證殼體的剛度，一般合理的最小外殼直徑大于9mm。參考國家標(biāo)準(zhǔn)彈簧中徑，選取N型的彈簧中徑為12mm；同理，對于Din型彈簧，選取彈簧中徑為22mm。

在上述的基本條件的基礎(chǔ)上，我們可以估算出，N型彈簧的直徑應(yīng)在1.4-1.8之間，Din型彈簧的直徑應(yīng)在2.5-3.0之間。選取65Mn鋼絲(σB=2250MPa，切變模量G=80GPa)，結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)的彈簧設(shè)計公式，我們選出如下幾個滿足要求的彈簧：

表1 彈簧對照表

3.2 彈簧片計算

簧片主要用于導(dǎo)向，保證對接的連接器之間一定的同軸度。這就要求，如果兩連接器偏心，簧片要能夠?qū)⑵鋵?dǎo)正。由于彈簧的工作壓力分別為47N與213N，據(jù)經(jīng)驗，彈簧與連接器間的摩擦系數(shù)為0.2，即偏心調(diào)整力分別需要：9.4N與42.6N(由于連接器的質(zhì)量較輕，可忽略不計)。

對于N型連接器，其螺紋的大徑尺寸D1的最大與最小值為：D1max=15.84；D1min=15.66。

對于Din型連接器，其螺紋的大徑尺寸D2的最大值與最小值為：D2min=28.98；D2max=28.993。

1)對于N型連接器，δmax=(15.84-15.5)/2=0.17mm；δmin= (15.66-15.62)/2=0.02mm；

2)對于Din型連接器，δmax= (28.993-28.87)/2=0.0615mm；δmin= (28.98-28.95)/2=0.015mm。

圖2 簧片內(nèi)孔尺寸示意(1)

圖3 彈簧內(nèi)孔尺寸示意(2)

則簧片產(chǎn)生的實際彈力為：

n：簧片內(nèi)孔開槽數(shù)；

E：簧片材料的彈性模量。選Sn6.5-.01，則E=113000MPa；

δ：簧片的變形量；

L：簧片懸臂長度；

1)對于N型連接器，F(xiàn)min=11N，F(xiàn)max132N；

2)對于Din型連接器，F(xiàn)min=42N，F(xiàn)max172N。

當(dāng)然，實際的模型是，當(dāng)簧片用于偏心調(diào)整時，6瓣簧片中，應(yīng)該只有3片簧片與待測接頭有接觸，即n=3；但同時，此接觸的3瓣簧片的變形量也至少要翻倍。由公式可知，此時產(chǎn)生的最小偏心調(diào)整力仍然不變，甚或更大。

3.3 浮動間隙驗算

3.3.1 同軸度計算

由前面的方案，我們可以知道，本方案主要是采用簧片進(jìn)行偏心調(diào)整。同時，由2.1、2.2的計算，可以知道，當(dāng)待測接頭與測試接頭的偏心超過δmin時，由簧片產(chǎn)生的彈力足以將測試接頭的偏心進(jìn)行調(diào)整，以保證待測接頭與測試接頭的同軸度小于δmin。即，對于N型連接器，可以保證的同軸度為0.02mm，對于Din型連接器，可以保證的同軸度為0.015mm。

3.3.2 測試對接時偏心量計算

1)N型方案一。N型接頭的外接觸件做粗導(dǎo)向，插入一定深度后，依據(jù)簧片做偏心調(diào)整，保證待測件與測試接頭的同軸度。

圖4 N型插入粗導(dǎo)向(最大偏心0.5mm)

圖5 N型插入精導(dǎo)向(最大偏心0.02mm)

2)N型方案二。N型接頭直接依靠簧片做粗導(dǎo)向和精導(dǎo)向，并進(jìn)行偏心調(diào)整，保證待測件與測試接頭的同軸度。

圖6 N型插入粗導(dǎo)向(最大偏心1mm)

圖7 N型插入中(測試頭與待測頭外界面對齊)

圖8 簧片繼續(xù)起到精導(dǎo)向的作用(最大偏心0.02mm)

圖9 接頭完全插到位后的狀態(tài)

從上圖中可以看出，方案二的最大偏心調(diào)整可達(dá)1mm。但相應(yīng)地，其對待測接頭的外形有一定的要求。

3)Din型方案一

圖10 簧片起到導(dǎo)向的作用(最大偏心0.8mm)

圖11 接頭完全插到位后的狀態(tài)

3.3.3 軸向浮動驗算

由于接頭的壓緊是由彈簧來保證，且我們的彈簧工作時的壓縮量不大于總壓縮量的80%。實際情況是，彈簧即使100%壓縮，也是可以工作的，只是彈簧壽命會有所縮短。如果我們允許彈簧的極限壓縮量為90%，即彈簧軸向浮動量為10%的彈簧最大壓縮量。對于表1所選定的彈簧，我們可以計算出，軸向浮動量如表2所示。

顯然，軸向浮動量最小為1.6。實際工作中，由于彈簧工作時的壓縮量會小于最大壓縮量的80%，即允許浮動量會更大。

3.4 性能仿真

仿真結(jié)果：

圖12 Din型接頭仿真結(jié)構(gòu)圖

圖13 Din型接頭仿真結(jié)果

圖14 N型接頭的仿真結(jié)構(gòu)

圖15 N型接頭的仿真結(jié)果

3.5 實測結(jié)果

圖16 產(chǎn)品實際樣圖

-128-122-120-122-129-120-128-126-120-119-127-124-120-123-127-126-123-120-129-126-124-130-125-124-120-128-131-126-119-127-131-129-126-122-123-122-124-125-128-120-122-126-129-120-123-120-123-121-128-126

從實際制作的樣品來看，浮動連接器的互調(diào)水平優(yōu)于-120dBm，測試的可重復(fù)性和可重現(xiàn)性大幅度優(yōu)于常規(guī)連接器，取得了較好的使用效果。

4 結(jié)論

本文通過對射頻同軸測試技術(shù)的深入分析，提出了一種浮動盲配的射頻同軸連接器，最終實現(xiàn)了允許軸向浮動間隙0.5mm、徑向浮動間隙0.5mm的測試場景，并成功地應(yīng)用于天線饋線產(chǎn)品的自動化測試中，并為后續(xù)天線產(chǎn)品整機(jī)的自動化測試提供有益的測試改善方向。