微帶類射頻同軸連接器模塊化測(cè)試方法研究

李佳霖

(陜西華達(dá)科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 前言

微帶類射頻同軸連接器通常使用在需要模式轉(zhuǎn)換的射頻系統(tǒng)中，比如微帶線或帶狀線到射頻同軸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換、波導(dǎo)腔到射頻同軸結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換。雖然連接器的技術(shù)狀態(tài)固化且唯一，但隨著應(yīng)用形式的不同，連接器與測(cè)試系統(tǒng)的兼容性會(huì)有很大差異。本文將就微帶連接器的典型應(yīng)用形式提出模塊化測(cè)試方法，通過(guò)理論分析和仿真驗(yàn)證結(jié)合的方式證明其可行性。

2 微帶類產(chǎn)品的測(cè)試需求

以SMA型微帶連接器為例，按照GJB5246中圖33 SMA系列插孔接觸件連接器界面的要求，如圖1所示，連接器內(nèi)導(dǎo)體直徑范圍為Φ1.24mm～Φ1.29mm。當(dāng)連接器使用在DC～18GHz時(shí)，為了減小內(nèi)導(dǎo)體直徑變化引入的不連續(xù)電容，微帶外露部分最大直徑范圍通常為Φ0.5mm～Φ2.2mm。本文將此類產(chǎn)品為例，設(shè)計(jì)一種自適應(yīng)不同長(zhǎng)度、不同直徑的模塊化測(cè)試方法，通過(guò)仿真驗(yàn)證其可行性。

3 模塊化測(cè)試方案總體目標(biāo)

微帶連接器屬于批產(chǎn)型產(chǎn)品，產(chǎn)量很大，要求模塊化測(cè)試方案主要圍繞以下三點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)：

(1)直插式快速測(cè)試；

(2)不同測(cè)試方案可快速更換；

(3)適應(yīng)多種形狀和外露尺寸。

微帶連接器產(chǎn)品使用環(huán)境主要以PCB類為主，所以模塊化設(shè)計(jì)方案的總體目標(biāo)為：一種PCB滿足不同尺寸外露內(nèi)導(dǎo)體的測(cè)試。

3.1 建立參數(shù)化模型

3.1.1 連接器參數(shù)化建模

根據(jù)SMA型微帶連接器結(jié)構(gòu)特點(diǎn)建立傳輸段模型如圖2所示，其中外露部分為參數(shù)化尺寸，L取值范圍：0.5mm～10mm，d取值范圍：0.3mm～2.2mm。

3.1.2 PCB類測(cè)試模塊參數(shù)化建模

3.1.2.1 PCB種類選擇

微帶連接器應(yīng)用于PCB時(shí)，通常用于微帶線和帶狀線，微帶線位于PCB表面便于批量測(cè)試，測(cè)試效率高；帶狀線位于板間，需要鉆孔露出傳輸線。考慮到測(cè)試效率，模塊化方案采用微帶線進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.1.2.2 PCB設(shè)計(jì)

PCB采用50Ω微帶傳輸線，參數(shù)化模型如圖3所示。

圖3 微帶傳輸線參數(shù)化模型

尺寸W為微帶線寬度，根據(jù)連接器外露內(nèi)導(dǎo)體直徑d最大值2.2mm，W寬度確定為2.5mm。根據(jù)傳輸線理論，微帶傳輸線特性阻抗計(jì)算公式如下：

計(jì)算得到h=1.55mm。

3.1.2.3 自適應(yīng)板上結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

要達(dá)到方案的總體目標(biāo)，需要解決不同尺寸內(nèi)導(dǎo)體與PCB的匹配問(wèn)題。PCB微帶寬度2.5mm，連接器外露內(nèi)導(dǎo)體直徑Φ0.3mm～Φ2.2mm，長(zhǎng)度0.5mm～10mm，需要設(shè)計(jì)一種板載結(jié)構(gòu)件能夠包絡(luò)以上尺寸范圍的同時(shí)還能保證與微帶線接觸可靠，這就需要同時(shí)解決徑向和軸向接觸問(wèn)題。

3.1.2.3.1 解決徑向接觸問(wèn)題

連接器外露內(nèi)導(dǎo)體直徑范圍Φ0.3mm～Φ2.2mm。如圖4所示，板載結(jié)構(gòu)件采用內(nèi)爪結(jié)構(gòu)，連接器內(nèi)導(dǎo)體自任一端插入，內(nèi)部彈性爪可保證連接器與結(jié)構(gòu)件緊密接觸，可以保證不同直徑連接器內(nèi)導(dǎo)體插入后緊密接觸。

圖4 板載結(jié)構(gòu)件

如圖5所示，結(jié)構(gòu)件采用夾板式設(shè)計(jì)，意圖通過(guò)穿板夾持的方式使結(jié)構(gòu)件與微帶線緊密接觸。

圖5 結(jié)構(gòu)件插裝示意圖

3.1.2.3.2 解決軸向接觸問(wèn)題

連接器外露內(nèi)導(dǎo)體軸向長(zhǎng)度范圍0.5mm～10mm，要保證最短內(nèi)導(dǎo)體有效接觸，內(nèi)爪凹陷深度不得大于0.25mm，優(yōu)化后結(jié)構(gòu)件如圖6所示。

綜上所述，板載結(jié)構(gòu)件采用穿板夾持的方式解決結(jié)構(gòu)件與PCB的接觸問(wèn)題；結(jié)構(gòu)件內(nèi)部通過(guò)自適應(yīng)內(nèi)爪解決微帶型連接器外露內(nèi)導(dǎo)體徑向、軸向適配的問(wèn)題。模塊化測(cè)試結(jié)構(gòu)總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖7所示。

圖6 優(yōu)化后結(jié)構(gòu)件

圖7 模塊化測(cè)試結(jié)構(gòu)總體示意圖

4 仿真驗(yàn)證

建立測(cè)試結(jié)構(gòu)電磁仿真模型，仿真分為三個(gè)步驟：

步驟1：連接器傳輸段仿真；

步驟2：PCB微帶線仿真；

步驟3：連接器、板載結(jié)構(gòu)件、PCB三者聯(lián)合仿真。

4.1 連接器仿真

圖8 連接器模型

圖9 VSWR仿真結(jié)果

圖11 傳輸段TDR仿真結(jié)果

連接器選擇典型的SMA型微帶連接器，模型如圖8所示，介質(zhì)介電常數(shù)2.05，內(nèi)外導(dǎo)體直徑比3.3，理論計(jì)算傳輸段阻抗49.1Ω。VSWR仿真結(jié)果如圖10所示，VSWR<1.03；TDR如圖11所示，未對(duì)雙端口進(jìn)行歸一化處理的情況下，傳輸段阻抗介于49.15～49.33之間，滿足50Ω±0.2Ω的匹配要求。

4.2 PCB仿真

板材選擇FR4，微帶線按照3.1.2.2計(jì)算結(jié)果建立模型，如圖12所示。要求仿真起止頻點(diǎn)DC～18GHz，理論計(jì)算值為最高頻點(diǎn)值，根據(jù)傳輸線理論，降低介質(zhì)板厚度可提高帶寬。設(shè)置介質(zhì)厚度參數(shù)范圍為0.2mm～1.5mm在DC～18GHz內(nèi)進(jìn)行參掃，參掃結(jié)果如圖13所示，可見(jiàn)介質(zhì)板厚0.9mm時(shí)在DC～18GHz頻段內(nèi)貨得最優(yōu)解，介質(zhì)板厚0.9mm時(shí)VSWR如圖14所示。

圖12 PCB模型

圖13 VSWR參掃結(jié)果

圖14 板厚0.9mmVSWR結(jié)果

4.3 聯(lián)合仿真

圖15 組合體仿真模型

圖16 組合體仿真結(jié)果

將連接器、PCB、板載結(jié)構(gòu)件三者組合建模，模型如圖15所示。電壓駐波比仿真結(jié)果如圖16所示。

由于連接器內(nèi)導(dǎo)體與板載結(jié)構(gòu)件緊密接觸，組合成一個(gè)板載接觸件，故連接器外露內(nèi)導(dǎo)體的直徑和允許范圍內(nèi)的長(zhǎng)度變化并不會(huì)對(duì)電壓駐波比造成影響，仿真結(jié)果較單體連接器增加約0.1，符合實(shí)際情況，仿真有效。

5 結(jié)論

綜合以上理論計(jì)算和仿真驗(yàn)證的方法，證明了直插式PCB板載結(jié)構(gòu)件可有效包絡(luò)不同尺寸的SMA外露微帶，仿真結(jié)果達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，此類板載結(jié)構(gòu)件可根據(jù)不同產(chǎn)品匹配各類PCB測(cè)試板，提高了測(cè)試效率的同時(shí)，大大減少了測(cè)試工裝夾具的種類，實(shí)現(xiàn)了模塊化、高效、無(wú)損測(cè)試的功能，可大范圍推廣應(yīng)用。