SMP-KK型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)

趙 廷

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

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研究與設(shè)計(jì)

SMP-KK型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)

趙 廷

(貴州航天電器股份有限公司，貴州貴陽，550009)

本文介紹了SMP-KK型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)，本轉(zhuǎn)接器具有較優(yōu)的高頻性能和機(jī)械性能。文章主要從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、補(bǔ)償設(shè)計(jì)兩方面進(jìn)行了論述，最后介紹了產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)的試驗(yàn)情況。

SMP；射頻轉(zhuǎn)接器；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；補(bǔ)償設(shè)計(jì)

1 引 言

SMP連接器的應(yīng)用特征為一板采用SMP固定端連接器(SMP全擒縱或半擒縱插頭)，中間是SMP-KK型轉(zhuǎn)接器，另一板端采用SMP活動(dòng)端連接器(SMP光孔插頭)，如圖1所示。SMP-KK型轉(zhuǎn)接器在軸向和徑向有一定的浮動(dòng)量，它可以在軸向浮動(dòng)0.25mm, 徑向浮動(dòng)±4°范圍內(nèi)保持兩板間的可靠連接，見圖1。

隨著科技的快速發(fā)展，設(shè)備對(duì)器件的集成度和性能指標(biāo)的要求越來越高。由于加工及裝配公差的影響，板板間多只SMP同時(shí)對(duì)接時(shí)，不同位置的電器基準(zhǔn)面的間距會(huì)有較大差別，會(huì)出現(xiàn)軸向間距

圖1 浮動(dòng)示意圖

過大導(dǎo)致電氣性能過差甚至中斷的現(xiàn)象，也有可能會(huì)出現(xiàn)軸向間距過小使板板對(duì)接到位后SMP-KK型轉(zhuǎn)接器損壞的現(xiàn)象。這就需要一款能夠軸向浮動(dòng)的SMP-KK型轉(zhuǎn)接器，以保證對(duì)接后電氣基準(zhǔn)面向貼合，且不會(huì)被過渡擠壓導(dǎo)致?lián)p壞。以下介紹SMP型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)。

2 SMP-KK型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器的技術(shù)指標(biāo)

因原有的SMP-KK型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器使用頻率范圍較小：DC～6GHz，且浮動(dòng)前后性能差別較大。為了滿足用戶使用需求，亟需設(shè)計(jì)出一款寬頻帶、低駐波、高可靠的SMP-KK型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器。以下為高性能SMP-KK型浮動(dòng)盲插射頻轉(zhuǎn)接器的典型指標(biāo)：

(1)工作溫度：-65℃～+125℃；

(2)頻率范圍：DC～18GHz；

(3)電壓駐波比≤1.20；

(4)介質(zhì)耐電壓：500Vr.m.s.；

(5)絕緣電阻≥5000MΩ；

(6)嚙合力：≤68N(全擒縱)；≤9N(光孔)；

(7)分離力：≥22N(全擒縱)；≤2.2N(光孔)；

(8)軸向浮動(dòng)量：1mm；

(9)隨機(jī)振動(dòng)：功率譜密度0.4G2/Hz，總加速度均值方根值23.9G。

3 產(chǎn)品設(shè)計(jì)

3.1 總體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

用戶使用要求：兩模塊上SMP-J電氣基準(zhǔn)面間距16.5mm，轉(zhuǎn)接器期望長度為16.5mm，軸向浮動(dòng)量±0.5mm，外形盡可能小，最大外圓不能超過φ4.5mm。

根據(jù)用戶要求，將總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)為：連接器自由狀態(tài)初步定為總長17mm，壓縮狀態(tài)總長初步定為16mm。轉(zhuǎn)接器總體結(jié)構(gòu)見圖2，主要包含三部分：第一部分是SMP-K端，其界面尺寸符合GJB 5021A標(biāo)準(zhǔn)要求；第二部分是轉(zhuǎn)接器的主要部分--軸向長度浮動(dòng)部分；第三部分是SMP-K端，界面尺寸同樣符合GJB 5021A標(biāo)準(zhǔn)要求。其中浮動(dòng)部分通過彈簧實(shí)現(xiàn)，隨著彈簧的伸長或壓縮，外導(dǎo)體1和外導(dǎo)體3、內(nèi)導(dǎo)體1和內(nèi)導(dǎo)體2可以相對(duì)滑動(dòng)，使連接器的軸向長度變長或縮短。

圖2 轉(zhuǎn)接器總體結(jié)構(gòu)

3.1.1 外導(dǎo)體1和外導(dǎo)體3的連接

外導(dǎo)體1和外導(dǎo)體3通過接觸簧片實(shí)現(xiàn)連接，接觸簧片為四槽或六槽，且前端的接觸部分設(shè)計(jì)有凸包，可以使接觸更加可靠。接觸簧片內(nèi)有介質(zhì)體填充，介質(zhì)體與簧片的配合為局部過盈+局部間隙，這樣既可保證內(nèi)導(dǎo)體1和簧片的同軸度，又不影響簧片的收縮，同時(shí)又可避免裝配過程中操作不當(dāng)引起簧片過度收縮失效甚至折斷，見圖3所示。

圖3 外導(dǎo)體1和外導(dǎo)體3的連接

3.1.2 內(nèi)導(dǎo)體1和內(nèi)導(dǎo)體2的連接

內(nèi)導(dǎo)體1和內(nèi)導(dǎo)體2通過插針與開槽插孔的滑動(dòng)接觸實(shí)現(xiàn)連接。其中，內(nèi)導(dǎo)體1為插針，內(nèi)導(dǎo)體2為開槽插孔。因開槽數(shù)量越多，在相同變形量下，簧片壽命越長，但簧片強(qiáng)度越低，此處內(nèi)導(dǎo)體2選擇壽命和強(qiáng)度均較優(yōu)的3槽結(jié)構(gòu)，見圖4。

圖4 內(nèi)導(dǎo)體1和內(nèi)導(dǎo)體2的連接

另外，為了保證產(chǎn)品浮動(dòng)量1mm的要求，而且在轉(zhuǎn)接器自由狀態(tài)下內(nèi)導(dǎo)體1和內(nèi)導(dǎo)體2的可靠連接，插孔深度設(shè)計(jì)為2.5mm。

3.1.3 浮動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為了保證轉(zhuǎn)接器在浮動(dòng)前后的電壓駐波比一致性，必須使浮動(dòng)部分的特性阻抗及錯(cuò)位補(bǔ)償在浮動(dòng)前后保持不變。浮動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)見圖5。

圖5 浮動(dòng)部分的結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)時(shí)，將浮動(dòng)部分L段的特性阻抗設(shè)計(jì)為50Ω，且L段的長度>轉(zhuǎn)接器的浮動(dòng)量。這樣整個(gè)轉(zhuǎn)接器在原理上就等效于一根特性阻抗為50Ω的電纜組件，見圖6。在轉(zhuǎn)接器浮動(dòng)時(shí)，只引起阻抗為50Ω的L段的長度變化，從而保證轉(zhuǎn)接器的電壓駐波比在浮動(dòng)前后基本一致。

圖6 等效示意圖

3.1.4 浮動(dòng)量的設(shè)計(jì)

關(guān)于浮動(dòng)量的設(shè)計(jì)，必須考慮到軸向尺寸的裝配公差。若轉(zhuǎn)接器自由狀態(tài)總長的下限值比板間距的上限值小，在使用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)SMP-KK型浮動(dòng)轉(zhuǎn)接器與SMP針端連接器電器基準(zhǔn)面不能貼合的情況，便失去了浮動(dòng)的意義，即功能失效；若轉(zhuǎn)接器壓縮狀態(tài)下的總長上限值比板間距的下限值大，在使用時(shí)，可能會(huì)出現(xiàn)轉(zhuǎn)接器被過渡擠壓甚至破壞，使產(chǎn)品失效。

3.2 阻抗不連續(xù)的補(bǔ)償

3.2.1 阻抗不連續(xù)的影響

射頻轉(zhuǎn)接器作為同軸傳輸線的一部分，要獲得寬頻帶、低駐波的效果，必須使轉(zhuǎn)接器的特性阻抗與傳輸線相匹配，即必須保證阻抗一定且連續(xù)。但由于內(nèi)外導(dǎo)體相對(duì)位置的固定要靠介質(zhì)支撐、為了實(shí)現(xiàn)某些機(jī)械功能(如軸向浮動(dòng))的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，都會(huì)使內(nèi)外導(dǎo)體直徑發(fā)生突變。這種突變會(huì)激勵(lì)起同軸型E波高次模，形成階梯電容，產(chǎn)生反射，影響整個(gè)轉(zhuǎn)接器的性能。

3.2.2 補(bǔ)償設(shè)計(jì)

內(nèi)外導(dǎo)體的直徑突變引起的不連續(xù)引起的反射很大，有研究標(biāo)明，改變不連續(xù)部位附件的結(jié)構(gòu)，可以在相當(dāng)寬的頻段內(nèi)大大減小反射。為了內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變引起的反射作用，可在內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變處錯(cuò)位一段距離△(增加一段高阻抗區(qū)域)，相當(dāng)于串聯(lián)了一段電感，等效電路圖，如圖7所示。

圖7 錯(cuò)位補(bǔ)償與等效電路示意圖

本文中，SMP-KK型浮動(dòng)轉(zhuǎn)接器的內(nèi)外導(dǎo)體共有5處突變，見圖8。

圖8 轉(zhuǎn)接器內(nèi)外導(dǎo)體的突變

采取的感性補(bǔ)償均通過錯(cuò)位補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)，有研究表明，在D/D'小于3時(shí)，△/D'是直徑D/D'的函數(shù)：

△=(D'/K)·Ln(D/D')

(1)

式中，D、D'分別為變化前后的外導(dǎo)體直徑；K是取決于特性阻抗的常數(shù)，對(duì)于50Ω的傳輸線，K=3.09。

通過式(1)計(jì)算出的 值，有時(shí)并不能使轉(zhuǎn)接器獲得理想的電性能，此外，由于2、4兩處突變未考慮內(nèi)外導(dǎo)體突變前后絕緣介質(zhì)的不同，5處補(bǔ)償均需要通過高頻仿真軟件對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行修正。

3.2.3 HFSS仿真

產(chǎn)品轉(zhuǎn)接器的仿真模型見圖9。

圖9 轉(zhuǎn)接器的仿真模型

將模型設(shè)置變量，將通過式(1)計(jì)算出的 值進(jìn)行修正后，將浮動(dòng)部分設(shè)置變量加入，再通過多次修正，轉(zhuǎn)接器浮動(dòng)1mm范圍的電壓駐波比仿真結(jié)果見圖10。

圖10 轉(zhuǎn)接器浮動(dòng)(0～1)mm范圍內(nèi)電壓駐波比仿真結(jié)果

從仿真結(jié)果可以看出轉(zhuǎn)接器在浮動(dòng)前后電壓駐波比變化較小，波形及幅值均能基本保持一致，且在DC～18GHz頻段內(nèi)電壓駐波比最大值為1.07，滿足使用要求。

3.3 材料

產(chǎn)品中所有彈性零件均選用彈性性能及抗疲勞強(qiáng)度較好的鈹青銅材料加工制作。零件在收口或漲口后經(jīng)時(shí)效處理，以加強(qiáng)其彈性，同時(shí)硬度、強(qiáng)度也得到提高。絕緣材料則選用高頻性能及可加工性優(yōu)良的聚四氟乙烯。產(chǎn)品剛性殼體的材料可以根據(jù)用戶使用環(huán)境和要求選用不銹鋼鈍化或銅合金鍍金，不銹鋼鈍化的殼體具有較高的強(qiáng)度和較優(yōu)的耐惡劣環(huán)境性能，銅合金鍍金的殼體具有較低的接觸電阻，同時(shí)可滿足一般的耐鹽霧要求。本文中的轉(zhuǎn)接器為腔內(nèi)使用，殼體材料選用銅合金。

4 產(chǎn)品驗(yàn)證

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，進(jìn)行了樣品加工，并按標(biāo)準(zhǔn)對(duì)樣品進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證。產(chǎn)品實(shí)物照片見圖11，產(chǎn)品電壓駐波比的實(shí)際測試波形見圖12，隨機(jī)抽取的10只產(chǎn)品的測試結(jié)果見表1。

此外，10只樣品經(jīng)隨機(jī)振動(dòng)試驗(yàn)(功率譜密度0.4G2 /Hz，總加速度均值方根值23.9G)。其中，振動(dòng)夾具板間距實(shí)測值為16.82mm。試驗(yàn)未見1μ以上的電氣中斷；振動(dòng)過程中，在300KHz～18GHz頻段內(nèi)電壓駐波比最大變化<0.05。

因轉(zhuǎn)接器外導(dǎo)體為分體式結(jié)構(gòu)，我們將產(chǎn)品進(jìn)

行了破壞性拉力測試。其中5只樣品測試擋圈的抗拉效果：5只樣品均在承受700N左右的拉力時(shí)，轉(zhuǎn)接器總長伸長了0.05mm，但轉(zhuǎn)接器仍伸縮自如；擋圈在承受最小830N的拉力時(shí)，出現(xiàn)擋圈卡死。另外5只測試簧片與外導(dǎo)體3壓配后翻鉚的強(qiáng)度：簧片承受最小175N拉力時(shí)出現(xiàn)松脫，能夠滿足與全擒縱插頭的插拔要求。

圖11 產(chǎn)品實(shí)物照片

圖12 電壓駐波比測試波形圖

樣品項(xiàng)目1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#VSWR自由狀態(tài)1.151.171.181.171.121.161.191.141.151.17壓縮狀態(tài)1.181.181.201.151.151.161.141.131.141.15

5 結(jié)論

通過產(chǎn)品試制及試驗(yàn)驗(yàn)證，證明該產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)可行，產(chǎn)品高頻性能及機(jī)械性能指標(biāo)較優(yōu)。此外，因該產(chǎn)品適用于板間浮動(dòng)盲插，對(duì)板間距的尺寸公差要求較低，大大降低了模塊加工成本，能較好地滿足集成度較高的模塊間的連接，應(yīng)用前景廣闊。

[1] 鄭兆翁.同軸式TEM模通用無源器件.北京:人民郵電出版社,1983.

Design of a SMP Series Floating and Blind-mating Adapter

ZHAO Ting

(Guizhou Space & Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009, China)

This paper describes the design of an SMP-KK series floating and blind-mating adapter which has excellent RF characteristics and mechanical characteristics.The paper mainly describes the design of the structure and the compensation, and describes the experiment of the adapter finally.

SMP, RF adaptor, design of the structure, design of the compensation

2015-09-28

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.003

TN

A

1000-6133(2015)06-0014-05