110GHz毫米波同軸轉(zhuǎn)微帶氣密封連接器的設(shè)計(jì)

王學(xué)習(xí)，曹永軍

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

110GHz毫米波同軸轉(zhuǎn)微帶氣密封連接器主要用于毫米波微波系統(tǒng)的屏蔽模塊或組件，負(fù)責(zé)內(nèi)外部射頻信號的轉(zhuǎn)接、轉(zhuǎn)換傳輸。微帶連接器采用法蘭盤安裝，通過連接器主體與氣密封轉(zhuǎn)接部件的端面連接組合，實(shí)現(xiàn)屏蔽模塊或組件內(nèi)部微帶傳輸線與外部同軸傳輸線之間的匹配轉(zhuǎn)換連接，同時實(shí)現(xiàn)微帶盒腔體內(nèi)外的氣密封功能。該連接器具有工作頻率高、射頻性能優(yōu)越、體積小、重量輕、易于安裝等特點(diǎn)，更易于實(shí)現(xiàn)裝備的小型化、輕量化。

據(jù)了解，國外一些射頻連接器公司已經(jīng)掌握了110GHz氣密封微帶連接器的設(shè)計(jì)和制造技術(shù)，但在市場上找不到相關(guān)產(chǎn)品。我司于2018年開始研制具有氣密封性能的110GHz毫米波同軸連接器，目前連接器已通過鑒定試驗(yàn)。產(chǎn)品性能達(dá)到國外先進(jìn)廠家的同等水平，氣密封性能優(yōu)異。本文結(jié)合110GHz毫米波同軸轉(zhuǎn)微帶連接器(以下簡稱連接器)產(chǎn)品的相關(guān)研制經(jīng)驗(yàn)，主要從性能指標(biāo)要求、設(shè)計(jì)方案、參數(shù)設(shè)計(jì)、氣密封專題、測試方法和測試結(jié)論等方面進(jìn)行論述。

2 主要性能指標(biāo)

連接器的主要技術(shù)指標(biāo)見表1所示。

表1 連接器的主要技術(shù)指標(biāo)

3 設(shè)計(jì)方案

在電連接器領(lǐng)域，通常的密封方式包括：灌膠密封、O型圈密封和玻璃燒結(jié)密封等。其中，粘接劑、密封膠、O型圈等介質(zhì)的引入，必將加劇連接器阻抗的不連續(xù)性，而且是不確定的。玻璃燒結(jié)類密封連接器因其具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫、良好的密封性等優(yōu)點(diǎn)，使其在各類民用、軍用、航空、航天、戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)武器等領(lǐng)域的電子系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。玻璃燒結(jié)是指加熱無機(jī)玻璃，使其與預(yù)先氧化的金屬或合金表面達(dá)到良好的浸潤而緊密地結(jié)合在一起，隨后玻璃和金屬冷卻到室溫時，玻璃和金屬仍能牢固地封接組合成為一個整體。

本項(xiàng)目研制的連接器需要保證良好的氣密封性能，又要實(shí)現(xiàn)110GHz毫米波信號的傳輸，這對傳輸通道阻抗的均勻性和穩(wěn)定性提出較高要求。在研制初期，試制了灌膠結(jié)構(gòu)方案(如圖1所示)。該方案采用353ND膠實(shí)現(xiàn)內(nèi)外導(dǎo)體與絕緣子的膠粘固定，采用O型圈實(shí)現(xiàn)方盤端面與安裝面板之間的密封。經(jīng)測試得到結(jié)論：氣體漏率測試僅可達(dá)到1×10-6Pa·m3/s，且合格率較低；電壓駐波比大于2.5，射頻插入損耗大于1.8dB，且均不穩(wěn)定。后更改為圖2所示的方案，該方案采用了局部模塊化的設(shè)計(jì)思想，連接器主體為1.0系列標(biāo)準(zhǔn)界面，實(shí)現(xiàn)與適配連接器的機(jī)械與電氣連接、分離；氣密封轉(zhuǎn)接部件實(shí)現(xiàn)毫米波信號由同軸結(jié)構(gòu)到微帶結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換傳輸，同時與安裝面板焊接，實(shí)現(xiàn)安裝面板內(nèi)外之間的氣密封性能。

圖1 膠粘結(jié)構(gòu)方案示意圖 圖2 玻璃封接方案示意圖

產(chǎn)品的安裝方式如圖3所示，用戶需將氣密封轉(zhuǎn)接部件與面板焊接安裝后，再通過螺釘將連接器主體與面板固定。

圖3 連接器安裝示意圖

4 關(guān)鍵性能設(shè)計(jì)

4.1 結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計(jì)

連接器工作頻率達(dá)110GHz，接近空氣介質(zhì)傳輸線的理論上限(截止頻率為135.7GHz)，所以只可采用空氣介質(zhì)，而且對零件的公差要求較高，需達(dá)到微米級。參考IEC 61669-31規(guī)定的界面尺寸，連接器零件的尺寸公差需控制在±3 um以內(nèi)，對應(yīng)傳輸通道的阻抗波動不超過±1Ω(特性阻抗50Ω)。

絕緣支撐采用介質(zhì)打孔的混合介質(zhì)形式，端面采用共面補(bǔ)償結(jié)構(gòu)，降低不連續(xù)電容的影響，見圖4。連接器主體和氣密封轉(zhuǎn)接部件連接處的阻抗不連續(xù)性采用了錯位方式的高阻補(bǔ)償結(jié)構(gòu)(見圖5)。設(shè)計(jì)原理：傳輸通道直徑尺寸的突變引入不連續(xù)電容，為了補(bǔ)償此不連續(xù)電容，需將局部阻抗設(shè)計(jì)為高于相鄰段的特性阻抗，在等效電路上相當(dāng)于加入一串聯(lián)電感，補(bǔ)償不連續(xù)電容，實(shí)現(xiàn)阻抗匹配。

圖4 共面補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖

圖5 高阻補(bǔ)償結(jié)構(gòu)圖

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和電性能設(shè)計(jì)同時兼顧進(jìn)行，過程中需計(jì)算的關(guān)鍵參數(shù)有：介質(zhì)的相對介電常數(shù)、截止頻率、絕緣支撐厚度、補(bǔ)償尺寸、介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻等。這些內(nèi)容有相關(guān)成熟的設(shè)計(jì)參考，在這里不做介紹。

4.2 高頻性能仿真設(shè)計(jì)

通過理論設(shè)計(jì)，結(jié)合仿真軟件的輔助優(yōu)化，驗(yàn)證、提高毫米波射頻同軸連接器的關(guān)鍵射頻性能，降低設(shè)計(jì)成本和設(shè)計(jì)周期。仿真時先進(jìn)行原理仿真，將優(yōu)化確定的結(jié)果作為模型修正的依據(jù)，完成鏈路仿真驗(yàn)證。為保證仿真模型與設(shè)計(jì)模型的一致性，通過Creo與HFSS的軟件數(shù)據(jù)接口，導(dǎo)入實(shí)物模型。圖6所示為待測連接器與適配測試夾具的仿真鏈路模型圖，圖7所示為插頭連接器的射頻性能鏈路仿真結(jié)果。通過仿真優(yōu)化，仿真模型在DC～110GHz時的電壓駐波比不大于1.13，插損不大于0.52dB。

圖6 鏈路仿真模型

(a)電壓駐波比仿真結(jié)果

5 玻璃封接工藝技術(shù)

氣密封轉(zhuǎn)接部件實(shí)現(xiàn)從同軸傳輸線向微帶線轉(zhuǎn)換和轉(zhuǎn)接的作用，綜合考慮最高傳輸頻率和制造性，方案確定氣密封轉(zhuǎn)接部件的中心導(dǎo)體直徑為Φ0.128mm，外導(dǎo)體內(nèi)徑為Φ0.863mm?？紤]到玻璃與金屬材料熔融溫度、熱脹冷縮膨脹率等影響因素，殼體和插針材料選用4J29合金，玻璃絕緣子選用7070。

產(chǎn)品工作頻率高，對玻璃封接后的端面質(zhì)量、內(nèi)部氣泡數(shù)量提出了非常高的要求。為了保證玻璃燒結(jié)端面的平整度和內(nèi)部介質(zhì)的均勻性，采取了以下措施：

①玻璃粉重的控制。粉重決定了燒結(jié)成品的玻璃絕緣子填充率及端面形狀，理論計(jì)算出的玻璃粉重為2mg±0.05mg，據(jù)此分別制造了幾種規(guī)格重量的樣件，再通過試制摸索，確定最合適的粉重為1.95mg。稱重時采用十萬分之一精度的天平，保證玻璃粉重的精確性。

②模具設(shè)計(jì)。由于石墨具有與玻璃不浸潤、熔點(diǎn)高、易加工等特點(diǎn)，玻璃燒結(jié)產(chǎn)品在工藝實(shí)現(xiàn)過程中多采用石墨作為模具材料。圖8所示為氣密封轉(zhuǎn)接部件燒結(jié)的專用模具，模具通過上模保證部件內(nèi)外導(dǎo)體的徑向同軸度，通過下模內(nèi)孔深度保證內(nèi)導(dǎo)體相對端面的尺寸；同時依靠上模和配重的自身重力施加軸向壓力，保證玻璃端面與殼體端面在同一平面。

圖8 氣密封轉(zhuǎn)接部件燒結(jié)石墨模具

③燒結(jié)前零件采用超聲波清洗、烘干，并密封保存，過程中應(yīng)避免引入雜質(zhì)。

④石墨模具的預(yù)凈化處理。由于石墨孔隙率高，在加工、貯存過程中容易吸附各種雜質(zhì)、氣體，尤其是潮氣。在使用前處理不徹底，在燒結(jié)時，這些氣體與玻璃共溶，冷卻后形成表層氣泡。石墨模具加工后使用壓縮氣體吹凈其表面雜質(zhì)，并采用超聲波清洗，處理干凈的模具烘干后需密閉保存。

⑤摸索燒結(jié)溫度、鏈?zhǔn)綘t的傳送速度，燒結(jié)過程在氮?dú)夥諊羞M(jìn)行。

通過控制以上關(guān)鍵工序，實(shí)現(xiàn)微型轉(zhuǎn)接部件的燒制。圖9(a)為采用7070玻璃管燒制的部件在電鍍前的狀態(tài)，可以看出玻璃端面平整光滑，內(nèi)部基本無氣泡，圖9(b)為部件電鍍后的外觀。通過后續(xù)的測試證明，此種狀態(tài)的氣密封轉(zhuǎn)接部件具有較為穩(wěn)定的特性阻抗，有利于鏈路匹配。

(a) 電鍍前 (b) 電鍍后

6 性能測試

6.1 射頻性能測試

如何準(zhǔn)確地測試頻率達(dá)到110GHz時的射頻性能，成為測試環(huán)節(jié)的關(guān)鍵。為此，我們設(shè)計(jì)了與連接器結(jié)構(gòu)完全對稱的專用測試工裝(如圖10所示)串接在氣密封部件后端，通過螺釘進(jìn)行固定。這樣構(gòu)建測試鏈路兩端均為標(biāo)準(zhǔn)接口，可以直接連接到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的測試端口上。測試連接圖見圖11所示，本次測試采用的是德科技的110GHz擴(kuò)頻系統(tǒng)。圖12為連接器的電壓駐波比、射頻插入損耗的測試結(jié)果。從測試結(jié)果中可以看出：在50MHz～110GHz時，測試鏈路的電壓駐波比小于1.4，射頻插入損耗小于1dB(含工裝)。

圖10 插頭連接器測試連接示意圖

圖11 射頻性能測試連接圖及測試結(jié)果

6.2 氣密封性能測試

氣密封轉(zhuǎn)接部件(見圖12)尺寸小，重量輕，采用氦質(zhì)譜檢漏儀(見圖14)直接測試時很難保證待測產(chǎn)品與測試基座的密封性，同時產(chǎn)品在抽壓過程中極易被吸入儀器內(nèi)部，引發(fā)設(shè)備故障。

圖12 氣密封轉(zhuǎn)接部件

(a)結(jié)構(gòu)圖

圖14 氣密封測試狀態(tài)圖

為此，我們設(shè)計(jì)了專用的測試工裝(見圖13所示)。工裝的上下部分(圖13a的殼體1和殼體2)將氣密封部件固定在中間，并采用O型圈實(shí)現(xiàn)部件與工裝的密封性。工裝下端(殼體2)與測試基座的膠墊通氣孔相連，在測試時涂適量潤滑脂，可以讓工裝達(dá)到更好的氣密性。經(jīng)實(shí)測，工裝的氣體漏率可達(dá)6×10-12Pa·m3/s，產(chǎn)品的漏率為4.6×10-11Pa·m3/s，滿足測試精度的要求。

連接器通過測試檢驗(yàn)和全項(xiàng)目試驗(yàn)，設(shè)計(jì)方案滿足高頻性能傳輸和氣密封性能要求，主要的技術(shù)指標(biāo)實(shí)測值見表2所示。

表2 主要技術(shù)指標(biāo)及使用性能符合性對照表

7 結(jié)語

通過毫米波同軸轉(zhuǎn)微帶連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及氣密封設(shè)計(jì)，掌握了具有氣密封使用要求的110GHz毫米波同軸轉(zhuǎn)微帶連接器的設(shè)計(jì)方法及仿真手段，提升了微精零部件的加工及電鍍工藝能力，突破并掌握了微型氣密封轉(zhuǎn)接部件的玻璃封接工藝，提高玻璃封接核心工藝能力建設(shè)水平，實(shí)現(xiàn)連接器核心玻璃封接部件的自主可控。產(chǎn)品通過了軍用電子元器件廣州檢測中心的第三方檢測檢驗(yàn)，檢測結(jié)果全部符合技術(shù)指標(biāo)要求。該連接器的設(shè)計(jì)開發(fā)，不僅為其他毫米波產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)，同時對具有氣密封使用要求的高頻同軸連接器的設(shè)計(jì)提供了技術(shù)支撐。