同軸連接器結(jié)構(gòu)偏心問題探究

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十一研究所，山東青島，266555)

1 引言

空氣型同軸連接器是一種通用的微波元件，用于不同微波器件之間的互聯(lián)。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，空氣型同軸連接器的工作頻率不斷提高。常用的工作頻率達(dá)到20GHz以上的空氣型同軸連接器，有3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm和1mm等幾種類型。隨著頻率的升高，同軸連接器的界面尺寸越來越小，生產(chǎn)難度也越來越大。

目前，關(guān)于同軸連接器的研究，主要集中在整體設(shè)計和可靠性方面。事實上，隨著界面尺寸減小，內(nèi)、外導(dǎo)體偏心對連接器性能的影響也越來越嚴(yán)重。內(nèi)、外導(dǎo)體偏心，會引起特性阻抗的變化，產(chǎn)生較大反射，易激發(fā)高次模，在互聯(lián)過程中，還會使內(nèi)導(dǎo)體插孔傾斜，造成內(nèi)導(dǎo)體不能很好的接觸或破壞同軸結(jié)構(gòu)性質(zhì)[1]。

本文在理論分析的基礎(chǔ)上，重點研究了空氣型同軸連接器的內(nèi)、外導(dǎo)體偏心問題。

2 理論分析

在理想狀態(tài)下，均勻的空氣同軸傳輸線的特性阻抗為[2]：

(1)

其中，b為外導(dǎo)體內(nèi)半徑，a為內(nèi)導(dǎo)體外半徑，ε0為空氣的相對介電常數(shù)，且ε0≈1[2]。

圖1 連接器截面的偏心示意圖

實際上，內(nèi)外導(dǎo)體的中心不可避免的存在一定偏差，如圖1所示。內(nèi)外導(dǎo)體不同心所引起的特性阻抗偏差為[1][3]：

(2)

其中，e為內(nèi)、外導(dǎo)體軸心的偏心大??；對于空氣型同軸連接器，填充介質(zhì)為空氣，則ε0≈1[2]；若不考慮加工誤差，對于特定類型的同軸連接器，a、b參數(shù)是一定的(不同類型連接器的內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸，見表1)，可視為同軸連接器的固有參數(shù)。這里可以引入偏心敏感度因子Δτ的概念，其中：

(3)

對于特定類型的空氣型同軸連接器，其偏心敏感度因子Δτ是一定的，僅與連接器的界面尺寸有關(guān)。

根據(jù)公式(3)，可以計算出不同類型的空氣型同軸連接器相對于偏心的敏感度因子Δτ。表1給出不同類型的空氣型同軸連接器所對應(yīng)的偏心敏感度因子，不難發(fā)現(xiàn)，隨著頻率提高，界面尺寸變小，偏心大小對同軸連接器的阻抗變化的影響越來越敏感，同樣大小的偏心，高頻段連接器的阻抗變化要大的多。因此，對于高頻段的連接器，對其同心度提出了更高的要求。

表1 不同類型連接器的截面尺寸和敏感度因子

根據(jù)式(2)、(3)，偏心大小所引起的特性阻抗的變化關(guān)系，可表示為：

(4)

由公式(4)，在已知同軸連接器的阻抗要求條件下，可計算得到所允許的偏心大小。一般情況下，希望偏心所引起的阻抗變化，不超過理論值1%，表2給出了阻抗變化1%時，不同類型的同軸連接器所允許的最大偏差?？梢?，對于工作帶寬越大、界面尺寸越小的同軸連接器，在特定的阻抗變化條件下，所允許的最大偏心也越小。

表2 不同類型連接器阻抗誤差1%所允許的最大偏心

3 偏心產(chǎn)生的原因

理論上，內(nèi)、外導(dǎo)體通過絕緣子的固定，保持同心狀態(tài)，但實際上，各零件的加工和裝配誤差是不可避免的。內(nèi)、外導(dǎo)體的軸線上的同軸偏差，絕緣子內(nèi)孔和外圓的同軸偏差，都可能引起內(nèi)、外導(dǎo)體不同心。加工誤差主要由工藝水平和機(jī)床精度來保證，本文不再贅述。

對于裝配誤差，內(nèi)導(dǎo)體和絕緣子之間的裝配，極易引起偏心。實際上，總是希望內(nèi)導(dǎo)體直徑等于或略大于絕緣子內(nèi)孔直徑。但絕緣子一般采用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等材料[3][4]，可加工性較差，且強(qiáng)度、耐熱性也遠(yuǎn)差于金屬材料，因此絕緣子的內(nèi)孔直徑不易控制，內(nèi)導(dǎo)體和絕緣子之間極易存在裝配間隙。本節(jié)重點分析內(nèi)導(dǎo)體和絕緣子之間的裝配間隙對偏心的影響。

3.1 內(nèi)導(dǎo)體和絕緣子的裝配誤差

如圖2所示，絕緣子的內(nèi)孔直徑D、內(nèi)導(dǎo)體直徑d，理論上大小相同，若因誤差使得D>d，則兩者之間存在裝配間隙，即會引起內(nèi)導(dǎo)體傾斜，內(nèi)導(dǎo)體與理想軸線存在切斜角θ。實際上，連接器的長度尺寸，一般是直徑D的幾倍甚至十幾倍，這樣，在遠(yuǎn)離絕緣子的位置，內(nèi)、外導(dǎo)體偏心存在放大效應(yīng)，極小的傾斜角θ，在遠(yuǎn)離絕緣子位置，就可能產(chǎn)生較為嚴(yán)重的偏心。

圖2 絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體裝配間隙產(chǎn)生的偏心

根據(jù)幾何理論，不難得出以下公式：

d′·cosθ=d

(5)

L·tanθ=D-d′

(6)

Δe=Lx·sinθ

(7)

其中，Lx為接觸中心位置距內(nèi)導(dǎo)體端面距離，Δe為裝配間隙引起的偏心大小，L為絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體的配合長度。

(8)

設(shè)絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體為配合間隙為Δt，即

Δt=D-d

(9)

根據(jù)公式(7)(8)(9)，可計算得到傾斜角θ和偏心Δe，與長度L、間隙Δt的關(guān)系。

以1.85mm連接器為例，其內(nèi)導(dǎo)體外徑d=0.804mm(見表1)，實際使用中長度Lx一般不能太小，本文取Lx=5mm，則傾斜角θ與長度L、間隙Δt的對應(yīng)關(guān)系如圖4所示，偏心Δe與長度L、間隙Δt關(guān)系如圖5所示。不難發(fā)現(xiàn)，配合長度L一定時，偏心Δe與間隙Δt正相關(guān)，即配合間隙越大，偏心越嚴(yán)重；配合間隙Δt一定時，偏心Δe與長度L負(fù)相關(guān)，即絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體的配合長度越大，偏心越小。

圖3 傾斜角θ與厚度L、間隙Δt的對應(yīng)關(guān)系圖

圖4 偏心Δe厚度L、間隙Δt關(guān)系圖

3.2 改進(jìn)措施

綜合上述分析，絕緣子的內(nèi)孔直徑D、內(nèi)導(dǎo)體直徑d，是影響同軸連接器偏心與否的關(guān)鍵尺寸。通過提高工藝水平，控制兩者的精度，使其為輕微的過盈配合，是減小內(nèi)、外導(dǎo)體偏心的關(guān)鍵。另外，在結(jié)構(gòu)上，還可以采取以下措施，減小絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體的裝配誤差對內(nèi)、外導(dǎo)體偏心的影響：

(1)增加絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體的配合長度L

絕緣子的設(shè)計中，一般不希望絕緣子過大而引起的較大的不連續(xù)性?？刹捎脠D5結(jié)構(gòu)，在不增加或者少增加絕緣子的重量的情況下，盡可能增大絕緣子與內(nèi)導(dǎo)體的配合長度L。

(2)采用雙絕緣子的支撐結(jié)構(gòu)

如圖6所示，采用雙絕緣子結(jié)構(gòu)，也可以理解為增加了絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體的配合長度L。該結(jié)構(gòu)可以較好的保證內(nèi)、外導(dǎo)體同心，但兩處不連續(xù)結(jié)構(gòu)對同軸連接器整體指標(biāo)有較大影響影響，需要在設(shè)計中綜合考慮。

圖5 絕緣子部分加寬結(jié)構(gòu)

圖6 雙絕緣子結(jié)構(gòu)

4 總結(jié)

本文重點分析了同軸連接器的偏心問題，得出以下結(jié)論：

(1)不同類型的連接器，隨著頻率提高、截面尺寸變小，偏心對阻抗變化影響越來越大；(2)給出了阻抗變化1%時，不同類型同軸連接器所允許的最大偏心；(3)給出了絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體的裝配間隙引起偏心大小的計算方法，偏心大小與絕緣子和內(nèi)導(dǎo)體的配合間隙正相關(guān)，與絕緣子和導(dǎo)體的配合長度負(fù)相關(guān)。

上述結(jié)論對空氣型連接器的設(shè)計、零件加工及檢驗，尤其對解決同軸連接器的內(nèi)、外導(dǎo)體偏心問題，具有一定的指導(dǎo)意義。