一種SMA型微帶連接器設(shè)計與仿真

張亞鵬,王 翔,馬 丹（陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721006）

一種SMA型微帶連接器設(shè)計與仿真

張亞鵬,王 翔,馬 丹
（陜西長嶺電子科技有限責(zé)任公司,陜西 寶雞 721006）

摘 要：本文首先對SMA型射頻同軸連接器進行了簡單介紹，然后利用Ansoft公司的HFSS高頻仿真軟件對一種SMA型微帶連接器進行仿真、設(shè)計，并將仿真結(jié)果和實際測試結(jié)果比較和分析。

關(guān)鍵詞：SMA型微帶連接器；設(shè)計；HFSS；仿真

1 引言

射頻同軸連接器是微波領(lǐng)域中重要的射頻傳輸元件，因其頻帶寬、連接方便可靠、性能優(yōu)越、成本低廉，在微波通信設(shè)備、儀器儀表及武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。SMA系列射頻同軸連接器具有體積小，頻帶寬，機械性能優(yōu)越，可靠性高等優(yōu)點，是應(yīng)用最廣泛的射頻同軸連接器之一。廣泛應(yīng)用于微波通訊，航天航海，武器系統(tǒng)及微波測量設(shè)備等領(lǐng)域。本文將設(shè)計一種常用的微帶類射頻同軸連接器。

2 技術(shù)要求

客戶對產(chǎn)品的外形尺寸要求如圖1所示，并且根據(jù)產(chǎn)品使用環(huán)境，電性能方面提出了以下技術(shù)要求：特性阻抗：50Ω，頻率范圍：DC～18GHz，電壓駐波比：≤1.15，插損：≤0.1dB

3 確定連接器端口尺寸

該連接器端口尺寸的確定，主要由兩部分組成，一個是SMA陰頭界面尺寸，該尺寸不但要保證同一型號連接器產(chǎn)品的一致性和互換性；另一個是連接器末端接口尺寸，確定該端口連接器內(nèi)導(dǎo)體外徑尺寸和外導(dǎo)體內(nèi)徑尺寸。

（1） SMA陰頭界面尺寸按照《SMA系列插孔接觸件連接器界面》執(zhí)行，其標(biāo)稱直徑是根據(jù)使用介電常數(shù)為2.02的聚四氟乙烯介質(zhì)給定的。

（2） 確定連接器末端接口尺寸：依據(jù)射頻同軸傳輸線理論知識可以知道，在特性阻抗Z0與產(chǎn)品的內(nèi)導(dǎo)體外徑a、外導(dǎo)體內(nèi)徑b以及介質(zhì)的介電常數(shù)εr存在以下關(guān)系：

從已知條件可知，Z0＝50Ω，εr＝2.02 , b＝3 ，經(jīng)上述公式計算可知：內(nèi)導(dǎo)體外徑a＝0.9。

4 利用Ansoft HFSS模型仿真及優(yōu)化

4.1 Ansoft HFSS簡介

Ansoft HFSS是Ansoft公司著名的三維微波電磁仿真設(shè)計軟件，強大的宏處理功能和多種掃頻方式，使其成為應(yīng)用最為廣泛的三維微波電磁仿真設(shè)計軟件。它可以模擬波導(dǎo)、空間、微帶線路、同軸線及腔體中的三維電磁場，可以方便地實現(xiàn)天線、濾波器、波導(dǎo)器件、連接器等微波器件的仿真模擬和優(yōu)化。

4.2 建立仿真模型

SMA型連接器參考面端外導(dǎo)體內(nèi)徑為4.1， 內(nèi)導(dǎo)體外徑為1.27；連接器末端外導(dǎo)體內(nèi)徑由客戶外形圖可知為3.0， 內(nèi)導(dǎo)體外徑由計算可知為0.9；介質(zhì)為聚四氟乙烯，介電常數(shù)依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)定位2.02；建模仿真時，前面所述尺寸均為固定值。利用Ansoft HFSS軟件仿真建模如圖2所示。

下一步是端口設(shè)置：將兩端連接器界面設(shè)置成50Ω端口。然后就可以設(shè)置求解條件：點頻10GHz，50次迭代，最大誤差0.01；Fast掃頻方式、0.5－20GHz，分為40份。

4.3 參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化

經(jīng)分析，雖然在DC～18GHz電壓駐波比小于1.15，與我們所需要的結(jié)果比較接近。由于理想狀態(tài)和實際產(chǎn)品存在如下表所示差異，因此該模型還需進一步優(yōu)化。

為了便于進行優(yōu)化，在模型中引入?yún)?shù)，如圖3所示。圖中共有7處尺寸：7.60由連接器長度尺寸決定，不可變；4.10和5.60為綜合內(nèi)導(dǎo)體兩端均為插孔形式，考慮到可加工性后給定的固定尺寸；經(jīng)數(shù)次更改參數(shù)仿真得知，內(nèi)外導(dǎo)體的倒刺寬度尺寸和共平面補償尺寸對連接器的電壓駐波比性能影響較大。因此將內(nèi)外導(dǎo)體倒刺的寬度尺寸設(shè)為可變參數(shù)L1，范圍0.3～0.5，每步0.05mm；將共平面補償尺寸設(shè)為可變參數(shù)L2，范圍0.3～0.6，每步0.05mm；設(shè)置顯示參數(shù)然后優(yōu)化。

5 SMA型微帶連接器測試結(jié)果

依據(jù)優(yōu)化后仿真模型制作實物，外導(dǎo)體選用SUS303不銹鋼，表面鈍化處理；內(nèi)導(dǎo)體選用QBe2鈹青銅，表面鍍金。外形尺寸按照客戶要求，即圖1加工。

由于該SMA型微帶連接器法蘭端為直徑0.5的插孔，因此測量電壓駐波比時需要用一根直徑0.5的插針將兩個連接采用背靠背的方法連接起來，組合成一個雙陰頭轉(zhuǎn)接器進行測試。

用背靠背的方法測試出來的是兩個連接器疊加的結(jié)果，測試結(jié)果曲線走勢與仿真結(jié)果一致。由于兩個連接器完全，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)的級聯(lián)算法，則單個連接器的駐波比應(yīng)該是測試結(jié)果開平方。由計算可知結(jié)果滿足客戶要求。

6 結(jié)論

本文介紹了SMA型微帶連接器設(shè)計、仿真和優(yōu)化的整個過程，通過借助Ansoft HFSS軟件進行建模仿真計算，為實際加工連接器提供了有力的依據(jù)。文中將軟件仿真結(jié)果與實際測試結(jié)果進行了比較，基本吻合且滿足設(shè)計要求，為今后連接器的設(shè)計開拓了一條快速設(shè)計和制作的思路，縮短了研制周期，提高了工作效率。

參考文獻(xiàn)：

[1]雷振亞.射頻/微波電路導(dǎo)論(第一版)[M].西安電子科技大學(xué)出版社,2005.

作者簡介：張亞鵬（1978-），男，陜西渭南人，結(jié)構(gòu)設(shè)計員，研究方向：射頻連接器設(shè)計。