一種N型射頻同軸轉接連接器的設計

楊宗亮，張守建，陳慶全

(臨沂市海納電子有限公司，山東臨沂，276017)

1 引言

射頻同軸連接器是微波領域中重要的射頻傳輸元件，因其頻帶寬、連接方便可靠、性能優越、成本低廉，在微波通信設備、儀器儀表及武器系統中得到廣泛應用。

根據用戶需求，需要一種能夠滿足加厚面板結構的轉接連接器，實現結構件兩端N型射頻連接器插頭的連接，同時需要保證性能指標滿足技術要求。

2 研制要求

2.1 結構特點

用戶需要在一箱體兩端使用N型射頻轉接連接器，箱體內部設置有信號通道(內導體穿過通道，通道作為外導體)，通道長度大概為60mm，需要根據連接器設計數據確定通道結構及內部尺寸，轉接連接器要求結構簡單、安裝方便。

2.2 技術要求

工作溫度：-65℃～+125℃；

特性阻抗：50Ω；

絕緣電阻：≥5000MΩ；

介質耐壓：1500V；

工作頻率：0-3GHz(1.2～1.4)；

電壓駐波比：≤1.15；

工作電壓：1000Vmax；

機械壽命：500次。

3 設計方案

3.1 設計原理

在設計過程中，參照GJB5246-2004《射頻連接器界面》中N系列插孔連接器界面，并根據特性阻抗的計算公式進行相應的尺寸設計，保證特性阻抗接近50歐姆，特性阻抗近似公式如下：

(1)

式中，Z0-理想同軸線的特性阻抗；

ε-相對節點常數；

D-外導體內徑；

d-內導體外徑。

產品設計考慮以下要點：

1) 在充分考慮用戶需求的情況下，盡可能采用最簡潔的設計結構；

2) 盡量使每一段的阻抗都與特性阻抗相符；

3) 安裝通道結構采用空氣介質，減少絕緣介質對傳輸線帶來的阻抗不連續性和不穩定性；

4) 由于連接器中的絕緣介質與接觸件不可避免涉及到安裝臺階等因素，同時由于安裝通道的存在，還需要考慮連接器外導體與通道、內導體與絕緣介質、內導體與通道、絕緣介質與外導體相互配合而出現的臺階，需要在臺階變截面處進行阻抗補償，采用常規的錯位補償方法，即預設一段錯位尺寸△用以消除臺階造成的阻抗不連續，錯位補償近似計算公式如下：

(2)

式中，介質相同，ε=1，Z0=50Ω，k=3.09；

圖1 錯位補償示意圖

5) 由于連接器中絕緣介質選擇為聚四氟乙烯，通道中絕緣介質為空氣，空氣與聚四氟乙烯的介電常數不相等，所以在這種復合介質的情況下，阻抗的補償計算比較復雜，為了在設計上更準確的進行阻抗補償，在初步計算的基礎上通過HFSS進行建模仿真和計算，仿真時設置變量，不斷調整和優化連接器內部結構和尺寸，根據仿真結果最終確定優化后的設計；

6) 由于N型射頻同軸連接器為參照GJB5246-2004《射頻連接器界面》中N系列插孔連接器界面進行設計，連接器的插入損耗可以不作為重點進行考慮，因通道需作為外導體，通道的結構及尺寸需要納入設計，進行仿真分析時，以電壓駐波比仿真分析結果為依據進行設計優化。

3.2 連接器與通道結構方案

本產品根據面板安裝使用需求進行設計，插座為法蘭安裝，在結構件通道兩側各安裝一只，內導體為共用件，穿過通道腔體分別與兩端插座進行安裝。

兩個轉接接口插座通過安裝法蘭固定在具有導體通道的結構件上，結構件通道兩端界面設置與安裝法蘭安裝孔對應的螺紋連接孔，通過螺釘將轉接接口插座進行固定安裝。中心導體穿過結構件的通道，與兩端的轉接接口插座分別配合安裝，形成一整套轉接插座，實現連接器轉接功能，密封圈起到界面安裝密封的作用，保證導體通道內部的環境，防止中心導體的氧化。產品結構如圖2-圖4所示：

圖2 安裝通道結構示意

圖3 連接器結構示意

圖4 總體結構示意意

4 仿真及優化

4.1 連接器建模

通過計算，初步確定連接器相關尺寸，在Autodesk Inventor Professional中建立三維模型，因設計方案中，連接器需要安裝在結構件通道兩端后才能構成完整的轉接連接器，所以三維模型如圖5所示：

圖5 總體結構模型

將N型插孔端面做為阻抗變換段的起始面，并對模型進行適當簡化，將外殼、通道做為一個完整外導體，以圓形外殼替代，內導體材質設定為銅，絕緣介質設為特氟隆，其他部分本來應設為空氣，但為了優化的方便，將其設為真空，這對結果的影響可以忽略不計，在ANSOFT HFSS中建立簡化后的三維仿真模型，如圖6所示：

圖6 仿真模型圖

4.2 仿真分析

將兩端連接器界面設置為50Ω端口，中心頻率1.6GHz，掃描跨度0.5GHz，最大誤差0.02，Fast掃頻方式0.1-3GHz，進行初步求解，計算后選擇顯示電壓駐波比，得到圖7所示的曲線：

圖7 HFSS模擬電壓駐波比曲線

4.3 優化設計

根據初步的理論計算與仿真分析進行對照，得出電壓駐波比偏高，通過不斷調整中心導體、絕緣介質、外導體相關配合尺寸，特別是變徑處的補償尺寸，最終得出優化后的電壓駐波比結果，曲線如圖8所示。

圖8 HFSS模擬優化后的電壓駐波比曲線

5 試驗驗證

按照優化后的設計進行產品生產，對產品用矢量網絡分析儀進行電壓駐波比測試，測試結果如圖9所示：測得截止頻率1.4GHz下，電壓駐波比1.075，小于指標要求。

圖9 矢量網絡分析儀電壓駐波比測試圖

測試結果表明，HFSS仿真結果對設計優化有比較好的指導作用，可大大減少了設計過程中的計算工作量。

6 結束語

本文介紹了一種定制型N型射頻轉接連接器，在N型射頻同軸連接器的基礎上，通過理論分析、計算，利用HFSS建模仿真，對連接器的設計進行優化，通過建模仿真和計算 ，可以不用生產連接器樣品就能得到設計將可能達到的性能數據，通過進一步優化是模型達到所要求的性能指標，可以提高產品設計的一次成功率，縮短設計周期、節省了研制成本。最終通過產品實物的測試驗證，對設計數據進行了最終驗證，產品的設計滿足用戶的使用要求。