145GHz同軸連接器的設(shè)計與實現(xiàn)

趙建波，劉長春，許曉龍

（中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010）

1 引言

射頻同軸連接器是一種應(yīng)用廣泛的微波毫米波器件，相對于波導(dǎo)連接器而言，同軸連接器具有頻帶寬、體積小、重量輕、價格便宜等優(yōu)點，在國防軍工、儀器儀表、移動通信等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用。

145GHz同軸連接器頻帶寬，其頻率上限已經(jīng)進(jìn)入THz領(lǐng)域，THz波束寬，容易對準(zhǔn)，天線系統(tǒng)可以實現(xiàn)小型化、平面化，降低了對準(zhǔn)所需要的精度和難度，在遙感和遙測、毫米波雷達(dá)、電子偵察、精確制導(dǎo)、星間通信、亞毫米波空間探測與環(huán)境監(jiān)測、測試測量儀器等方面具有廣闊的需求背景，是下一代通信的發(fā)展方向?，F(xiàn)有的同軸連接器產(chǎn)品最高頻率只能覆蓋到110GHz，無法滿足各行業(yè)對于THz同軸連接器的需求，因此開展145GHz精密同軸連接器的設(shè)計研究具有重要意義。

2 設(shè)計目標(biāo)

145GHz同軸連接器的設(shè)計目標(biāo)如表1所示。

表1 145GHz同軸連接器的設(shè)計目標(biāo)

3 同軸連接器設(shè)計

3.1 145GHz同軸連接器的設(shè)計難點

本次設(shè)計的連接器最高頻率高達(dá)145GHz，連接器的電性能指標(biāo)對阻抗不連續(xù)的變化異常敏感，對零件的尺寸精度要求高，在如此寬的頻帶內(nèi)實現(xiàn)阻抗匹配的難度非常大。同時，為了支撐和固定內(nèi)導(dǎo)體，145GHz同軸連接器在設(shè)計時同樣需要引入介質(zhì)支撐，介質(zhì)支撐的引入會導(dǎo)致傳輸線變得不均勻，如果設(shè)計不當(dāng)，會產(chǎn)生嚴(yán)重的反射，甚至?xí)ぐl(fā)出高次模，導(dǎo)致設(shè)計失敗。因此，如何在超高頻帶內(nèi)實現(xiàn)傳輸線的精確設(shè)計是145GHz同軸連接器的關(guān)鍵所在，難點總結(jié)如下：

難點1：頻帶寬，工作頻率高達(dá)145GHz，實現(xiàn)整個頻段內(nèi)阻抗匹配難度大。

難點2：介質(zhì)支撐不僅要有足夠的強(qiáng)度，還必須進(jìn)行合理的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計，在超寬帶頻率范圍內(nèi)盡量較小反射，設(shè)計難度大。

難點3：工作頻段高，對零件精度要求高，在兼顧微波性能和成本的前提下，容差設(shè)計計算量大，設(shè)計難度高。

3.2 介質(zhì)支撐設(shè)計

介質(zhì)支撐是145GHz同軸連接器的核心部件，在設(shè)計時需要遵循以下幾個原則：保證電性能的前提下必須有足夠的強(qiáng)度；介質(zhì)支撐的材料介電常數(shù)要盡可能的??；介質(zhì)支撐的結(jié)構(gòu)必須具有良好的可加工性。

在介質(zhì)支撐介入位置會引發(fā)阻抗的不連續(xù)，相當(dāng)于在此位置引入了一個不連續(xù)電容，工程上常用的方法通過共面補(bǔ)償進(jìn)行消除，同時為降低介質(zhì)支撐的等效介電常數(shù)，保證連接器的帶寬，需要在介質(zhì)撐端面進(jìn)行周期性打孔處理。

圖1 介質(zhì)支撐回波損耗仿真曲線

本次設(shè)計我們采用介電常數(shù)較小的工程塑料來設(shè)計介質(zhì)支撐。通過軟件仿真來優(yōu)化介質(zhì)支撐的各尺寸，從而將不連續(xù)電容降到最低，保證介質(zhì)支撐在整個頻段內(nèi)盡量匹配。介質(zhì)支撐的仿真結(jié)果如圖2、圖3所示，通過仿真優(yōu)化，介質(zhì)支撐的回波損耗在－40dB以下。

3.3 開槽內(nèi)導(dǎo)體設(shè)計

為了保證同軸連接器的陰陽內(nèi)導(dǎo)體接觸良好，陰頭內(nèi)導(dǎo)體上一般需要設(shè)計彈性結(jié)構(gòu)，常用的結(jié)構(gòu)主要有開槽結(jié)構(gòu)和陰頭內(nèi)導(dǎo)體內(nèi)嵌彈簧爪結(jié)構(gòu)。145GHz同軸連接器的直徑僅有0.348mm，內(nèi)嵌彈簧爪結(jié)構(gòu)無法實現(xiàn)，因此陰頭內(nèi)導(dǎo)體采用開槽結(jié)構(gòu)。綜合考慮現(xiàn)有的加工手段和加工難度，將陰頭內(nèi)導(dǎo)體設(shè)計為雙槽結(jié)構(gòu)，如圖2所示。在HFSS中建立仿真模型，雙槽結(jié)構(gòu)對回波的影響如圖3所示，從圖中可以看出，雙槽結(jié)構(gòu)對回波損耗影響較小，在可接受的范圍內(nèi)。

圖2 雙槽結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 開雙槽結(jié)構(gòu)仿真曲線

3.4 內(nèi)導(dǎo)體的間隙控制技術(shù)

同軸連接器互連時，理論上互連的陰陽連接器的內(nèi)導(dǎo)體之間應(yīng)該沒有間隙存在，即G＝0mm。事實上，理想狀態(tài)是無法實現(xiàn)的，為了保證互連時連接器內(nèi)導(dǎo)體不會損壞被測件，內(nèi)導(dǎo)體端面與電氣基準(zhǔn)面之間通常設(shè)計一個很小的負(fù)公差，接觸間隙的存在，使連接端口的特征阻抗匹配惡化，增大了連接端口的反射系數(shù)，影響測量精度。通常間隙對駐波比的影響可以通過式1進(jìn)行計算：

式中，S為駐波比；F為頻率；G為空氣間隙寬度；d為內(nèi)導(dǎo)體外徑；N為開槽數(shù)量；w為開槽寬度；dg為插針直徑。

針對不同的間隙和槽寬組合，采用HFSS軟件進(jìn)行仿真分析，仿真結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出，當(dāng)間隙G＝0.05mm時，回波曲線惡化嚴(yán)重，沒有足夠的設(shè)計余量，因此要求G＜0.05mm，即內(nèi)導(dǎo)體端面距離電氣基準(zhǔn)面的公差（g）應(yīng)該控制在－0.025mm～0之間。

圖4 不同間隙的仿真曲線

3.5 同心度控制技術(shù)

對于同軸連接器而言，橫截面上中心導(dǎo)體相對于外導(dǎo)體的同心度偏差是一個很重要的指標(biāo)，同心度偏差會引起連接器特性阻抗的變化。設(shè)e為中心內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體內(nèi)孔中心軸線的同心度偏差，如圖5所示，內(nèi)外導(dǎo)體同心度e引起的特性阻抗偏差為：

圖5 傳輸線偏心示意圖

在通常情況下，引發(fā)同心度偏差的原因，一方面是由于內(nèi)外導(dǎo)體的形狀偏差和裝配偏差引起的，另一方面是由于介質(zhì)支撐的介入引起的。安裝介質(zhì)支撐的臺階結(jié)構(gòu)，在實際加工過程中，由于刀尖的磨損，在臺階根部并不是標(biāo)準(zhǔn)的直角，而是會產(chǎn)生一個微小的過渡圓角。根部圓角的大小與內(nèi)導(dǎo)體臺階高度接近，會導(dǎo)致阻抗補(bǔ)償設(shè)計失敗，還會引起內(nèi)外導(dǎo)體同心度惡化。

因此，在設(shè)計時不僅要嚴(yán)格控制零件的尺寸和形狀誤差，加工過程中也要對內(nèi)導(dǎo)體的根部圓角進(jìn)行動態(tài)監(jiān)控，保證內(nèi)導(dǎo)體的臺階根部圓角在可接受的范圍內(nèi)。

4 實測結(jié)果

在DC～110GHz頻段內(nèi)，通過搭建110GHz同軸測試平臺測試，在110GHz～145GHz頻段內(nèi)，通過110GHz～170GHz太赫茲測試系統(tǒng)進(jìn)行測試。在DC～110GHz頻段內(nèi)，回波損耗22dB，插入損耗0.28dB，在110GHz～145GHz頻段內(nèi)，回波損耗18.9dB，插入損耗0.36dB，滿足表1中連接器的設(shè)計目標(biāo)。具體測試曲線如圖6和圖7所示。

圖6 DC～110GHz頻段測試曲線

圖7 110GHz～145GHz頻段測試曲線

5 結(jié)論

本文通過理論計算和仿真方法，分析了介質(zhì)支撐、內(nèi)導(dǎo)體開槽、內(nèi)導(dǎo)體間隙以及內(nèi)導(dǎo)體根部圓角對145GHz同軸連接器傳輸線的影響，在此基礎(chǔ)上設(shè)計完成145GHz同軸連接器。如圖8、圖9所示。連接器經(jīng)實測，回波損耗小于15dB，插入損耗小于0.6dB，滿足設(shè)計目標(biāo)，證明理論和放著相結(jié)合的設(shè)計方法的有效性，值得其他高頻產(chǎn)品設(shè)計時進(jìn)行借鑒。同時145GHz同軸連接器的研發(fā)為我國THz領(lǐng)域產(chǎn)品的開發(fā)打下了良好的基礎(chǔ)。

圖8 145GHz同軸連接器實物

圖9 太赫茲測試系統(tǒng)