一種SSMP-J射頻同軸負載的設計及改進

李亞南 宋德柱 顏二國

一種SSMP-J射頻同軸負載的設計及改進

李亞南 宋德柱 顏二國

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009）

闡述了SSMP-J射頻同軸負載的設計過程，通過阻抗計算初步確定負載的基本結構，采用仿真分析的方法進行補償結構優化，理論上滿足了負載的電氣性能要求。負載調試過程中，通過對不同材料的分析驗證，并調整負載內部補償結構，使負載的機械結構及電氣性能均達到了最優。

射頻同軸負載；阻抗計算；補償結構

1 引言

SSMP同軸負載具有SSMP的標準界面，能夠與SSMP對接端對接使用，可快速插拔，同時兼有SSMP射頻連接器的體積小、重量輕、使用頻率高的優點，具有廣闊的應用前景。本文闡述了SSMP-J射頻同軸負載的設計及開發過程，通過優化內部結構，計算補償尺寸及使用仿真軟件優化仿真，使產品具有較好的性能指標。并且分析和總結了產品測試及調試階段產生的技術難點及解決方案。

2 同軸負載設計過程

2.1 設計原則

匹配電路中，當阻抗為60Ω時電纜耐電壓最大，當阻抗為30Ω時電路的傳輸功率最大，當阻抗為75Ω時電路的損耗最小。在實際使用中，50Ω的匹配兼顧了耐壓、傳輸功率及損耗等優勢，所以阻抗50Ω的匹配在射頻中最常用。75Ω的阻抗匹配因為損耗最小，所以多用于遠距離傳輸及視頻信號傳輸。為使負載使用范圍更廣，本文論述的SSMP同軸負載采用50Ω匹配，內部用50Ω電阻器將內導體與外導體連接。

為使SSMP同軸負載能夠與國內外SSMP-K連接器順利對接，界面采用SSMP-J標準界面。

根據GJB 5246—2004，SSMP-J標準界面分為全限位和光孔兩種，全限位界面尺寸如圖1和表1所示，光孔界面尺寸如圖2和表2所示。全限位連接器較光孔連接器嚙合力和分離力大，連接更可靠。根據實際使用需求，選則全限位SSMP射頻同軸負載。

圖1 SSMP-J全限位界面尺寸

表1 SSMP-J全限位界面尺寸 mm

圖2 SSMP-J光孔界面尺寸廣告費

表2 SSMP-J光孔界面尺寸 mm

2.2 設計過程

下面詳細闡述了SSMP-J設計過程，并通過阻抗計算及模型仿真，使產品性能進一步優化，能夠較好地滿足客戶的使用需求。

2.2.1 主要性能指標

電氣性能：特性阻抗：50Ω；工作頻段：K波段；頻率范圍：DC～26.5GHz；VSWR：1.3max。

機械性能：機械壽命≥100次。

近年來流行病學和遺傳學的研究顯示， 生物鐘節律是廣泛存在于生物體中重要的內源性調節機制，其對糖、脂肪等代謝的調控是調節能量代謝的重要途徑，同時也使能量代謝變化呈現出重要的特征——節律性以來適應生理功能的需要[11]。更重要的是，時鐘基因震蕩節律的異常與糖代謝以及心血管疾病密切相關[12-13]。有研究發現，生物鐘晝夜節律紊亂可導致糖代謝障礙、胰島素抵抗和代謝綜合征等[14],同時生物鐘節律紊亂也可能是糖尿病產生和進展的重要促發因素[15]。如前所述，積極探索糖尿病對心肌時鐘基因Bmal1/Per2的影響及具體形式可能為防治糖尿病心肌病提供新的治療方向。

2.2.2 設計思路

信號在同軸連接器中傳輸時，遇到阻抗不匹配（阻抗偏離特性阻抗）的地方會引起反射，從而使電壓駐波比增大。要設計出駐波較小的同軸連接器，必須保證連接器在軸向上的阻抗均勻一致。

射頻同軸連接器的特性阻抗是由內導體和外導體的直徑以及絕緣支撐介質的介電常數決定的，之間的關系式見式（1）：

式中：0——特性阻抗，Ω；ε——相對介電常數，空氣=1，聚四氟乙烯=2.02；——外導體內徑，mm；——內導體外徑，mm。

根據SSMP-J全限位界面要求及阻抗50Ω的阻抗匹配要求，初步設計負載如圖3所示。

圖3 SSMP-J負載設計結構

根據式（1），分段設計負載的內部結構。SSMP-J標準界面端與標準SSMP-K對接后，介質為空氣，ε為1，內導體外徑及外導體內徑均為標準值，由式（1）計算得阻抗0≈50Ω。內導體通過介質體聚四氟乙烯固定，聚四氟乙烯的相對介電常數ε為2.02，要使阻抗0≈50Ω，根據式（1）確定此段內導體外徑及外導體內徑。負載內部采用50Ω的電阻器連通內導體與外導體，并采用空氣介質以提高負載的電壓駐波比。為確保負載內部50Ω的阻抗，仍需根據式（1）確定空氣介質段的內導體外徑及外導體內徑。為使負載內部每段阻抗達到50Ω，外導體的內徑及內導體的外徑尺寸均發生突變。根據相關補償理論，在尺寸突變處會產生不連續電容，需要一個電感補償，消除不連續電容產生的反射。電感的產生需要一個高阻抗來實現，因此在負載內部尺寸突變處均需要一個高阻抗補償，避免突變產生嚴重的反射，影響負載的電氣性能。因補償尺寸的計算較為繁瑣，選擇通過軟件優化仿真確定。

2.2.3 仿真分析

根據負載的初步結構建立仿真模型。補償處尺寸嚴重影響了負載的電氣性能，通過不斷調整仿真模型補償處外導體的內徑和長度以及內導體的外徑和長度，得到一個合適的高阻抗，實現補償最優化，此時負載電氣性能達到了理論上的最優。

通過不斷調整上述參數，得出仿真結果如圖4所示：在頻率DC～26.5GHz范圍內，實現阻抗補償最優，電壓駐波比最小，在DC～26.5GHz范圍內，理論最大值為1.07，理論上能夠滿足DC～26.5GHz，VSWR≤1.3的使用要求。

圖4 電壓駐波比仿真結果

3 調試與改進

由于該負載使用頻率較高，且零件加工尺寸及組裝后與仿真結果存在一定的差異，仿真結果并不能直接說明產品的實際性能，在產品正式投產前驗證、調試，并改善，才能夠使產品達到理想的效果。

該負載在預測時發現兩個問題點：產品駐波不穩定，信號時斷時續；駐波超差。

經過拆分連接器，并分析連接器結構，內導體與電阻器與簧片相連組成中心接觸件來傳遞電磁波。內導體與電阻器連接端、簧片與電阻器連接器均為簧片開槽結構，材料均為錫青銅，且電阻器與內導體、簧片為過度配合，當三者配合間隙比較大時，駐波不穩定，信號時斷時續。鑒于此，對內導體及簧片口部進行縮口處理，縮口后電阻器與內導體、簧片均有一定的分離力。縮口后，信號時斷時續問題有所改善。但是由于產品尺寸很小，且使用錫青銅材料，縮口處插拔幾次基本就沒分離力了。鈹青銅較錫青銅有更好的彈性和強度，且經過時效處理后可以獲得長期優良的彈性特征。將內導體與簧片的材料更換為鈹青銅，縮口尺寸與原來相同，縮口后進行時效處理，內導體與簧片縮口處彈性好，與電阻器連接穩定，駐波穩定。

駐波測試時，駐波超差，仿真結果理論值與實際值差別較大。SSMP連接器尺寸較小，對加工精度要求比較高，加工尺寸超差也會嚴重影響產品的駐波值。經過測試產品零件尺寸，發現外導體內徑尺寸偏小，阻抗不能滿足50Ω，嚴重影響了產品的性能。重新生產零件進行驗證，此次零件尺寸加工合格，組裝后發現，駐波在1.4～1.5之間，仍然不能滿足DC～26.5GHz，電壓駐波比≤1.3的使用要求。之后從產品的結構補償入手，在負載空氣段中嘗試增加聚四氟乙烯介質墊片的方法調節產品的駐波。

墊片的大小直接影響了內部阻抗大小，進而影響了負載駐波的大小。用不同規格的墊片調試負載駐波，在DC～26.5GHz頻率范圍內，對測試數據進行分析，選定最優規格的墊片，使負載駐波最小，且能夠滿足使用要求：DC～26.5GHz，VSWR≤1.3。

經過調試，對負載的結構進行優化，內導體與簧片材料換成鈹青銅并縮口時效，在負載空腔中增加介質墊片，負載的性能穩定且滿足使用要求。

組裝完成后的外形圖如圖5所示。實測負載滿足DC～26.5GHz，VSWR≤1.3，且在DC～24GHz頻率范圍內駐波小于1.15，負載性能優良，結構可靠，能夠滿足用戶的使用要求。

圖5 負載外觀圖

4 結束語

本文介紹了SSMP-J射頻同軸負載的設計過程，總結了調試過程中遇到的技術難點及解決辦法，并改進了負載的結構。由實際測試結果可以看出，該SSMP同軸負載使用頻率能夠達到26.5GHz。

1 馮良平. 射頻同軸連接器設計要點[J]. 國外電子測量技術，2005，24(11)：39～44

2 GJB 5246—2004射頻連接器界面[S].

3 石之禮.高頻電纜組件的補償優化研究[J].中國傳媒大學學報自然科學版，2006，13(1)：71～73

Design and Improvement of SSMP-J RF Coaxial Load

Li Yanan Song Dezhu Yan Erguo

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

This article introduces the design process of SSMP-J RF coaxial load, determines the preliminary structure of the load through impedance calculation, optimizes the compensation structure through simulation analysis, and satisfies the electrical properties of the load in theory. In the test and debug phase of the load, different materials are analyzed and verified, and the compensation structure of the load is adjusted, to achieve the maximum mechanical structure and the electrical properties of the load.

RF coaxial load；impedance calculation；compensation structure

李亞南（1988），工程師，光學工程專業；研究方向：射頻元器件產品的研發。

2018-04-02