一種SMP(M)型射頻連接器的研制

劉斌 武婷 王惟迪 王榕欣

摘要：本文介紹了一種SMP（M）型射頻同軸連接器的研制開發(fā)過程。

引言：

連接器用于裝接在電纜上或安裝在儀器設(shè)備上起連接作用的元件，它與另一輔助配對的連接器在兩個或多個電路之間進行重復的電氣連接和分離，既起機械連接作用，又保證電磁信號和能量的順利傳輸。從本質(zhì)上看，同軸連接器是一段帶有連接結(jié)構(gòu)的非均勻同軸連接體，不均勻是由不可避免的臺階結(jié)構(gòu)形成的，這些臺階結(jié)構(gòu)保證連接器內(nèi)、外導體相對位置的固定以及與同軸電纜內(nèi)、外導體的連接。

上海某研究所委托我公司研制的連接器外形如圖1，此連接器屬于SMP系列，是一種盲配式連接器，允許軸向和徑向有一定失配量，使用頻率高、連接快速、抗振性強。按照連接界面不同，可分全擒縱、有限擒縱、光孔三種結(jié)構(gòu)。

1 用戶對產(chǎn)品指標要求

滿足GJB 5246-2004《射頻連接器界面》中SMP系列插針接觸件連接器界面;

特性阻抗：50Ω;頻率：0～30GHz（DC）;電壓駐波比：VSWR≤1.4;

氣密封，漏率不大于1.01×10-3Pa·cm3 /s;外殼與內(nèi)導體表面在鍍鎳基層上鍍金。

2 初步確定產(chǎn)品設(shè)計方案

2.1連接器在設(shè)計中要遵循的原則

同軸連接器設(shè)計主要依據(jù)同軸傳輸線理論，在設(shè)計中要在遵循：

（1）要保持特性阻抗一致，每一橫截面處盡可能使特性阻抗Z0等于標稱值。

（2）對每一截面不可避免的阻抗不連續(xù)，應(yīng)采取適當?shù)难a償措施。

（3）盡量減小機械公差對電性能的影響。設(shè)計時應(yīng)將尺寸公差控制在合理范圍內(nèi)，制造中應(yīng)保證設(shè)計要求。

2.2 根據(jù)用戶要求及連接器設(shè)計原則，設(shè)計方案需：

（1）采用《射頻連接器界面》中SMP系列插針接觸件界面。

（2）采用玻璃介質(zhì)燒結(jié)固定，內(nèi)外導體材料均采用可伐合金，來滿足氣密封要求。

（3）每個截面特性阻抗一致，本產(chǎn)品為50Ω，特性阻抗近似公式為：

（D為外導體內(nèi)徑，d為內(nèi)導體外徑，ε為介質(zhì)相對介電常數(shù)）。

依據(jù)上述，可初步確定連接器設(shè)計方案如圖2。這種方案內(nèi)導體、外殼與玻璃一體燒結(jié)固定，如果能夠?qū)崿F(xiàn)是最好的。

3 設(shè)計方案的改進

3.1考慮縮短玻璃燒結(jié)長度

圖2方案內(nèi)外導體間玻璃燒結(jié)橫向間隙太小，軸向燒結(jié)長度相對太長，我公司現(xiàn)工藝制造水平實現(xiàn)難度較大，如果采用2～3mm的玻璃燒結(jié)長度較易實現(xiàn)（圖3）。

圖3方案，連接器左段為空氣介質(zhì)，右段為玻璃介質(zhì)，玻璃燒結(jié)長度為2.21。

仔細計算后分析，這種結(jié)構(gòu)存在明顯問題：為滿足阻抗50Ω要求，空氣段外殼內(nèi)徑僅0.89，這種結(jié)構(gòu)與SMP對應(yīng)陰頭插接時會出現(xiàn)短路，這是要堅決避免的;玻璃燒結(jié)左端玻璃體不易定位，形成較大的玻璃錐，阻抗一致性較差;空氣段較長，玻璃燒結(jié)段較短，易損。

3.2 改進圖3方案

對圖3方案改進，空氣段內(nèi)導體直徑為0.6，由公式○1可算出對應(yīng)外殼內(nèi)徑，得圖4設(shè)計方案，該方案雖然可解決連接器對接短路問題，但其余兩點不足仍不能解決。

繼續(xù)調(diào)整設(shè)計方案，對空氣段改用絕緣支撐，得圖5方案，這種方案可避免連接器對接短路，也可克服連接器玻璃段易損，但連接器內(nèi)部介質(zhì)分三段，阻抗一致性很差。為此，決定連接器內(nèi)部介質(zhì)采用兩段，左段為絕緣支撐，右段玻璃燒結(jié)，如圖6方案。

3.3 優(yōu)化設(shè)計得設(shè)計方案

在借鑒以往連接器設(shè)計經(jīng)驗基礎(chǔ)上，對絕緣支撐進一步改進：加空氣補償段、倒刺和放氣間隙，并對外殼做相應(yīng)調(diào)整，形成圖7連接器設(shè)計方案。

4 設(shè)計方案的仿真設(shè)計

有了產(chǎn)品設(shè)計方案，在產(chǎn)品制造前需進行設(shè)計方案的計算機仿真，對方案進一步優(yōu)化改進。HFSS是一款功能強大的三維電磁仿真軟件，在設(shè)計中我們用該軟件進行仿真與優(yōu)化設(shè)計。首先，創(chuàng)立3D仿真模型，將絕緣子空氣補償段直徑和寬度設(shè)為變量，建立模型如圖8。然后，設(shè)置波端口激勵，分析求解，查看結(jié)果，創(chuàng)建場分布圖，如圖9所示。最后，利用軟件中Optimetrics模塊的參數(shù)掃描和優(yōu)化設(shè)計功能對絕緣子空氣補償段進行設(shè)計優(yōu)化。

5 樣品試制和產(chǎn)品性能測試

確定了產(chǎn)品設(shè)計方案，我們設(shè)計產(chǎn)品測試工裝，如圖10。然后，進行樣件生產(chǎn)及測試工裝生產(chǎn)。樣件和測試工裝制造完成后，測試產(chǎn)品各方面性能，測試結(jié)果滿足預期要求。

作者簡介：劉斌，男，碩士研究生，2011年畢業(yè)于吉林大學機械電子工程專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所設(shè)計員;

武婷，女，工程碩士，2018年畢業(yè)于西安郵電大學電子信息工程專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所工程師;

王惟迪，女，工程師，2007年畢業(yè)于安陽師范學院計算機科學與技術(shù)專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所工程師;

王榕欣，女，高級工程師，1996年畢業(yè)于西安工程大學機械設(shè)計專業(yè)，現(xiàn)為陜西華達科技股份有限公司射頻與組件設(shè)計所高級工程師;

閆玉凱，男，碩士研究生，現(xiàn)就讀于西安電子科技大學電子工程學院電子與通信工程專業(yè)，研究方向為射頻技術(shù)及陣列天線設(shè)計。