一種多路射頻電連接器的結構設計

石承偉 陳侃 程德帥

摘? 要：隨著軍用電子裝備的發展，整機設備中的集成度越來越高，集束多路射頻電連接器作為快速互聯元器件，逐漸成為整機裝備需求的熱點之一。文章以某機載雷達項目的使用需求作為依托，針對多路射頻電連接器小體積、多功能化、可單路更換調試的使用要求，設計出一種結構新穎的可互聯互換多路射頻電連接器，通過理論計算和ANSYS軟件仿真，對產品進行設計和優化，驗證結構的合理性。

關鍵詞：集束多路;射頻連接器;互聯互換;模塊化;ANSYS仿真

中圖分類號：TM503.5? ? ? ?文獻標志碼：A? ? ? ? ?文章編號：2095-2945（2019）32-0096-03

Abstract： With the development of military electronic equipment， the integration of the whole equipment is getting higher and higher. As a fast interconnecting component， cluster multi-channel radio frequency electrical connector has gradually become one of the hot spots in the equipment requirements of the whole machine. Based on the application requirements of an airborne radar project， and aiming at the requirements of small size， multi-function， single-channel replacement and debugging of multi-channel radio frequency electrical connector， a novel interchangeable multi-channel radio frequency electrical connector is designed in this paper. Through theoretical calculation and ANSYS software simulation， the product is designed and optimized to verify the rationality of the structure.

Keywords： cluster multiplexing; RF connector; interconnection and interchangeability; modularization; ANSYS simulation

1 概述

隨著軍用電子裝備尺寸的不斷減小，要求設備中所有器件的集成度越來越高、尺寸越來越小。集束高密度快速互連微波傳輸組件由于具有體積小、重量輕、快速盲插、高密度排列、集成度高、頻帶寬等特點，廣泛用于射頻信號的傳輸和連接。本文根據用戶的特定需求，設計一種多路射頻電連接器，該連接器節省設備空間，同時具有多路信號同時傳輸功能，保證整個系統的正常運行。

2 連接器主要指標要求

工作頻率：20GHz;

特性阻抗：50Ω;

電壓駐波比：≤1.2;

傳輸通道：5～8路可以單路拆分的功能;

接口特性：連接器接口可以更換功能。

3 結構設計

3.1 總體結構設計

受到雷達內部安裝尺寸限制，集束射頻電纜組件模塊插合高度尺寸不允許超過20mm，需要在已確定的尺寸空間內排布合理的組件模塊方案。通過將固定定位部件和互聯互配元件一體化設計，對射頻傳輸元件接口進行改型，既可以滿足高密度排列、又可實現單路分別對接的要求。本產品模塊內部為接口可調換的射頻轉接器，可與不同接口的電纜組件進行對接，設計方案見圖1，圖中所示為SMP接口轉ZSBMA接口連接器。

3.2 模塊化安裝方案

固定板裝置在母板上，通過螺釘來連接。母板與雷達陣面背板連接。母板與固定板、固定板與背板之間通過不同的螺釘孔連接，以保證螺釘不會受到剪切力。固定板上設計兩排安裝孔，用于與對端的盲插連接器法蘭孔安裝，固定板也有多種尺寸可供選擇，可以根據母板中安裝的射頻連接器接口尺寸以及配接連接器的法蘭尺寸來選型。在設備工作過程中引起的振動不會再影響電連接器的緊固性，使設備系統穩定的運行，滿足產品復雜的環境要求，模塊安裝方案如圖2所示。

3.3 連接器結構設計

3.3.1 連接器接口設計

整個模塊的內部連接器全部設計為可通用、可統一替換形式，除在母板中固定的直角彎式轉接器為固定部分外，直角彎式轉接器的兩端均可以與不同互聯元件進行組合而形成不同的接口。該方案的優點是可以實現同一個模塊中有多種不同的接口，可接盲插界面（SBMA、SMP等）、螺紋式界面（SSMA）、卡口式界面等，又可以根據用戶的實際使用需求進行調整，直接接電纜組件，如圖3所示：

3.3.2 連接器直角彎式結構設計

連接器直角彎式結構中間外殼為固定部分，設計難點在于內導體及絕緣介質的結構設計。由于結構零部件中內導體、絕緣支撐不可避免地存在彎角或直角過渡， 過渡部位每一小段的幾何尺寸都各不相同， 由此會產生嚴重的阻抗不連續現象，從而會引起反射系數及電壓駐波比的增大， 因此必須采取一定的補償措施。本設計中內導體轉彎處采用一體式結構設計，并且內導體轉彎部分為等直徑彎曲，同時采用兩個楔形絕緣支撐在裝在內導體上。彎式結構圖如圖4所示。內導體一體式結構可以增加產品可靠性;等直徑彎曲可以提高產品電性能。對于等直徑彎曲， 可以通過工藝技術實現;絕緣支撐尺寸先根據理論公式計算得出理論值，再用仿真軟件用變量法得出最優值。

射頻信號在傳輸時沿著外導體的內表面，中心導體的外表面之間的腔體傳輸，以TEM模單模的方式傳輸[1]。考核連接器的最主要的電性能指標為電壓駐波比、射頻插入損耗、工作頻率。所謂電壓駐波比，是指射頻傳輸線中由于阻抗失配產生反射功率，反射功率干擾傳輸功率形成駐波，沿傳輸線上的駐波電壓最大值與最小值之比。射頻插入損耗反映為測量時等效信號源與等效負載的近似匹配。工作頻率上限由產生高階模TEⅡ的下限截止頻率決定。通常可近似地用下面的公式進行計算：

式中：fc-表示連接器的上限頻率;C0-表示電磁波在真空中的傳播速度;D-表示外導體內徑;d-表示內導體外徑;ε-表示絕緣介質的相對介電常數。

為了使連接器達到更寬的頻帶，設計時，在保證連接器內外導體機械強度的條件下，盡可能的縮小內、外導體直徑;同時在絕緣介質材料的選擇上使用相對介電常數較小的聚四氟乙烯材料;在結構設計上，連接器直角轉彎處采用空氣、聚四氟乙烯混合介質，擴大空氣的占空比，達到降低相對介電常數的目的;在絕緣支撐軸向設計上，調整絕緣支撐在連接器內的軸向位置，盡量避免絕緣支撐間發生的諧振問題;同時在內、外導體突變的每個阻抗不連續處采用合適的補償，提高產品電氣性能，從而達到提高連接器工作頻率的目的。

根據射頻同軸連接器設計三原則，在充分滿足用戶需要的情況下，采用最簡潔可靠的設計結構，減少反射點的存在，在每一阻抗變換處進行補償，使每一段的阻抗都與標稱阻抗相符，保證傳輸線阻抗的均勻性，達到在盡可能寬的頻帶內，有最佳的電氣性能。

特性阻抗：

式中：Z-特性阻抗;D-外導體內徑;d-內導體外徑;ε-相對介電常數。

本產品中采用的聚四氟乙烯材料介電常數為2.02～2.04，設計內導體直角彎處直徑φ1.27mm，根據同軸線橫截面的特征阻抗50Ω計算公式（3.2）計算出外導體絕緣支撐的內徑為φ4.1mm。利用截止頻率的計算公式，驗證內、外導體尺寸的選定是否合理。本產品的上限工作頻率達20GHz，要保證連接器的單模截止工作頻率fc>20GHz的1.1倍，即22GHz，其中的10%為設計余量。把D=4.1mm，d=1.27mm代入公式：可得出fc=24.96GHz>22GHz，滿足要求[2]。

4 射頻連接器仿真分析

為保證產品質量，在連接器設計過程中，用HFSS軟件對該產品的電壓駐波比及插入損耗進行了微波仿真[3]。

Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator）是Ansoft公司著名的三維微波電磁仿真軟件，具有強大的建模功能、豐富的材質庫和模型庫，這使得建模工作變得簡單快捷，再加上強大的宏處理功能和多種掃頻方式，使其成為應用最為廣泛的三維微波電磁仿真軟件。它可以模擬波導、空間、微帶線路、同軸線及腔體中的三維電磁場，可以方便地實現天線、濾波器、波導器件、連接器等微波器件的仿真模擬和優化。

如圖5所示為傳輸通道的內部結構圖，其中在直角彎處為三角形絕緣子過渡補償部位，對直角彎式結構帶來的特性阻抗的不連續性，進行計算仿真[4]。

通過對關鍵尺寸設置變量進行優化仿真，仿真結果圖如圖6，根據仿真結果最終確定連接器的尺寸。

5 結束語

本文論述了多路射頻電連接器模塊的設計和實現，針對模塊安裝使用空間小、輕量化的要求，設計了固定定位元件母板和固定板，實現了可模塊化安裝更換，可單路單獨調試的整體結構;通過理論計算驗證結構合理性，采用HFSS三維仿真軟件針對連接器射頻通道進行建模及仿真，通過設置變量的方法，根據仿真結果最終確定連接器的尺寸。

參考文獻：

[1]同軸式TEM模通用無源器件[Z].1982.

[2]李留安，于少軍.多路射頻連接器的結構設計[D].電子產品世界，2011.

[3]閆潤卿，李英惠.微波技術基礎[M].北京理工大學出版社，2004.

[4]李明洋.電磁仿真設計[M].人民郵電出版社，2010.