一種擴頻的射頻連接器的設計

徐敏，黃森，馮永芳

（蘇州華旃航天電器有限公司，江蘇 蘇州 215129）

近年來，隨著我國整機設備的快速發(fā)展，射頻連接器作為使用越來越廣泛，使用頻率越來越高。固有的頻率已經不能滿足整機設備的要求，不斷出現了對現有射頻連接器進行擴頻使用的要求。本文主要通過介紹一款N系列接電纜射頻連接器（以下簡稱連接器）的擴頻設計，闡述擴頻的原理和方法。

1 連接器頻率

現有技術的N系列射頻連接器的使用一般按照標準規(guī)定最高使用到11GHz進行使用，一旦超過規(guī)定的頻率，電氣性能指標迅速降低，無法滿足使用，限制了產品的使用范圍。隨著整機設備的發(fā)展，對同軸連接器的要求不斷提高，需要在連接器界面可以互換的條件下，提高使用頻率，最高要求到18GHz。現有連接器結構無法滿足，必須采用新的連接器結構，才能提高產品的使用頻率。

2 連接器的設計

連接器的設計是針對現有技術的不足而提供的一種擴頻的射頻連接器，它通過降低傳輸介質的介電常數，優(yōu)化電纜與連接器的連接方式，實現了連接器產品使用頻率的整體提升，由原來的11GHz提升到18GHz，既滿足了更高頻率的應用需求，又提供了一種典型的擴頻方式。

擴頻的連接器它包括螺套1、橡膠墊2、擋圈3、第一介質體4、內導體5、第一套筒6、第二介質體7、外導體8、第二套筒9以及螺釘10組成。（如圖1）。

圖1 擴頻連接器的結構

連接器的結構設計涉及連接器的界面，介質體的設計，電纜的固定方式，理論計算牽涉到連接器阻抗，頻率，內外導體和絕緣介質的尺寸。

2.1 介質體的設計

影響使用最高頻率的部件主要為第一介質體和第二介質體，這兩個介質體為非空氣介質，相比空氣介質來講，最高使用頻率較低。為達到產品的使用上限頻率，連接器和電纜過渡區(qū)域的補償是產品能否滿足使用頻率到達18GHz的關鍵點之一。傳輸高頻率的射頻信號，需要對內導體每個變化的截面進行阻抗補償，但實體介質的介電常數（2.02～2.08）偏高，完全空氣介質又無法對內導體起到支撐作用。通過一系列技術研究分析，通過在聚四氟乙烯介質圓周均勻增加空氣孔變?yōu)榛旌辖橘|的方式降低其介電常數，確保內導體過渡界面的特性阻抗匹配，可通過仿真形式確定空氣柱的位置和大小，如圖2所示。

圖2 混合介質的介質體

2.2 連接器的工作頻率

（1）傳輸系統理論計算。根據連接器的技術要求，為了保證最高使用頻率為18GHz和阻抗為50Ω的射頻信號的正常傳輸，需要確定對應的尺寸和相應的參數。理論計算以工作頻率和特性阻抗為基礎，同時進行計算和滿足，逐步確定相應的技術參數。

連接器的工作頻率和特性阻抗可近似的用公式表示為公式（1）和（2）。

其中：f為最高使用頻率，Z0為產品特性阻抗，ε為介質體介電常數，空氣為1.0，聚四氟乙烯為2.02，D為外導體的內徑，d為內導體的外徑。

連接器要滿足18GHz的使用頻率，采用了混合介質的方式，當內導體外徑不變的情況下，不斷增加混合介質中空氣的比例，以降低介電常數，提高使用截止頻率。當達到18GHz以上時，即確定混合介質中的空氣和聚四氟乙烯的比例，確定空氣柱的大小和數量。

（2）電纜的固定結構。電纜的固定結構主要通過將焊接套筒和電纜屏蔽層進行焊接后，通過螺釘將焊接套筒固定的方式進行。

焊接套筒應有臺階進行定位電纜屏蔽層端面，應有倒角使焊錫能夠順利流入，應有觀察孔用于觀察焊錫的流入情況，見圖3。為了保證焊接能夠滿足要求，可通過X光進行檢查。

螺釘應有六角面用來施加規(guī)定的力矩進行擰緊，內腔1用來保護焊接套筒，內腔2用來保護電纜焊接尾端。電纜護套必須伸入內腔2中，才能保護焊點，見圖4，螺釘鎖緊后，電纜被可靠的固定在連接器中，見圖5。

圖3 焊接套筒結構

圖4 螺釘結構

圖5 螺釘鎖緊后

（3）補償設計。補償設計一般有錯位補償和共面補償。本連接器主要補償位置為連接器和電纜之間的過渡部分，當電纜芯線接入內導體的過程中，內導體和電纜芯線外徑不一致，需要進行補償才能夠順利進行過渡。錯位補償的原理為增加一段高特性阻抗的結構，焊接套筒形成的臺階空氣間隙以及補償介質均用于過渡部分的補償，見圖3所示臺階，通過HFSS參數化仿真可以找出合理的控制范圍。

3 結構仿真

當連接器的材料和結構都確定下來之后，需要通過仿真進行模擬運算，并對結構進行優(yōu)化。

對連接器的傳輸結構建立3D仿真模型，對一些未確定的結構進行參數化設置，如介質體圓柱孔的大小，設置圓柱孔分別為1.6～2.2，每隔0.1變化一次，共7個尺寸，設置一個仿真區(qū)間，確定最優(yōu)尺寸，模型見圖6。

對產品結構進行仿真，結果如圖7，通過仿真結果可以看出，連接器可以滿足要求，且通過參數化仿真，找出最優(yōu)的空氣柱大小，通過仿真結果可以確定空氣柱外徑最優(yōu)尺寸。

圖6 仿真模型

圖7 最優(yōu)的仿真結果

4 驗證結果

根據擴頻的連接器結構制造出來的產品的檢測，均能滿足在18GHz條件下的使用要求。典型的連接器使用頻率及對應的電壓駐波比實測曲線圖如圖8所示。

圖8 連接器電壓駐波比實測曲線圖

5 結語

擴頻的射頻連接器實現了介質體和電纜固定結構的設計，并進行了補償設計，通過模擬仿真進行驗證和優(yōu)化，使產品理論可靠性高，通過實物的檢測證明了連接器達到了擴頻要求。