一種毫米波密封轉(zhuǎn)接器的研制

王榕欣，張清莉

(陜西華達(dá)科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 前言

射頻同軸連接器是射頻同軸傳輸系統(tǒng)的主要組成部分，是傳輸信號的關(guān)鍵元件，它的重要功能是有效的傳輸射頻電磁能量。射頻同軸連接器廣泛地應(yīng)用于微波通訊、航天航海、武器系統(tǒng)等領(lǐng)域中的天線、通信系統(tǒng)、射頻發(fā)射或射頻接收系統(tǒng)中，而且在高速數(shù)據(jù)傳輸設(shè)備中應(yīng)用越來越廣泛，作用也越來越重要。

密封轉(zhuǎn)接器是射頻同軸連接器的一種，是進(jìn)行密封艙內(nèi)外數(shù)據(jù)傳輸?shù)臉蛄骸．a(chǎn)品除要求有優(yōu)異的電性能外，還應(yīng)具有良好的密封性能，這樣才能保證艙內(nèi)環(huán)境的安全。最常見的是SMA型、N型、TNC型密封轉(zhuǎn)接器。隨著我國航空航天工程的飛速發(fā)展，整機(jī)系統(tǒng)的頻率不斷提高，在很多場合，需要應(yīng)用毫米波密封轉(zhuǎn)接器。因此研制生產(chǎn)毫米波密封轉(zhuǎn)接器(2.92型、3.5型、2.4型)已迫在眉睫。

2 產(chǎn)品主要技術(shù)指標(biāo)

特性阻抗：50 Ω；

頻率范圍：DC～40 GHz；

VSWR： ≤1.4；

絕緣電阻：≥5000 MΩ；

介質(zhì)耐壓： 750 V；

溫度范圍： -65℃～+165℃；

漏率： ≤1X10-3Pa.cm3/s。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1 常用毫米波轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)

以2.92型毫米波轉(zhuǎn)接器為例，常見結(jié)構(gòu)如下：

圖1 毫米波轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)圖

毫米波轉(zhuǎn)接器一般采用空氣同軸式結(jié)構(gòu)，這樣可以提高轉(zhuǎn)接器的使用頻率。為了固定內(nèi)導(dǎo)體，常常使用介質(zhì)絕緣子作為支撐。但是介質(zhì)支撐的引入會影響到產(chǎn)品的電壓駐波比，為了降低介質(zhì)支撐所帶來的影響，通常采用挖空介質(zhì)支撐的方法來降低介質(zhì)支撐的介電常數(shù)，同時(shí)兩個(gè)介質(zhì)支撐之間的距離A必須達(dá)到相當(dāng)大的值，當(dāng)A≥2D時(shí)，它們之間的相互影響十分微弱；當(dāng)A≥3D以上時(shí)，相互影響可忽略不計(jì)。對于單個(gè)轉(zhuǎn)接器來說，介質(zhì)支撐必須離開基準(zhǔn)面要有1～1.5倍D的距離。

3.2 毫米波密封轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.2.1 產(chǎn)品的基本結(jié)構(gòu)

為了保證產(chǎn)品密封，必須在轉(zhuǎn)接器內(nèi)部引入密封段。一般密封段位于產(chǎn)品的中部，結(jié)構(gòu)可做成單獨(dú)的玻璃絕緣子與外導(dǎo)體焊接，或者采用內(nèi)外導(dǎo)體一體燒結(jié)的形式。然后在玻璃絕緣子兩端根據(jù)轉(zhuǎn)接器的類型焊接上插針或插孔，考慮到僅依靠中心導(dǎo)體直接支撐插針或插孔，可靠性和壽命都不能滿足使用要求，在轉(zhuǎn)接器兩側(cè)又各引入了一段介質(zhì)支撐。這樣，密封轉(zhuǎn)接器內(nèi)部就有了三段介質(zhì)支撐。見圖2所示。

圖2 毫米波密封轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)圖

3.2.2 關(guān)鍵尺寸的確定

3.2.2.1 內(nèi)外導(dǎo)體直徑的確定

由于2.92型射頻同軸連接器的內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸在國際標(biāo)準(zhǔn)中已確定，d1=Φ1.27mm，D1=Φ2.92mm，因此本產(chǎn)品的關(guān)鍵是要確定玻璃燒結(jié)段內(nèi)外導(dǎo)體的直徑(d2和D2)。

射頻同軸連接器一般只傳輸TEM波，在同軸線中還存在著多種色散的高次模式，這些色散模式中截止波長最大的是H11模式，為保證同軸線中單一模式的傳輸，只要使H11模式截止，其余的所有高次模式就全部截止了。根據(jù)微波理論，同軸線的截止頻率為：

(1)

式中，C0為光速， D、d分別為同軸線外導(dǎo)體內(nèi)徑和內(nèi)導(dǎo)體外徑，εr為介質(zhì)的相對介電常數(shù)。由于產(chǎn)品要用到40GHz，玻璃粉介電常數(shù)一般約等于4，根據(jù)上式可計(jì)算出玻璃燒結(jié)段內(nèi)外導(dǎo)體直徑和：D2+d2=2.38mm。

由于本產(chǎn)品為50Ω的阻抗。阻抗公式如下：

(2)

式中，D-外導(dǎo)體內(nèi)徑 ，d-內(nèi)導(dǎo)體外徑，εr- 介質(zhì)相對介電常數(shù)。根據(jù)D2+d2=2.38mm和公式(2)可計(jì)算出：D2=Φ2mm，d2=Φ0.38mm。

3.2.2.2 介質(zhì)支撐厚度的確定[1]

(3)

式中，B為介質(zhì)支撐的厚度，εr為絕緣子的相對介電常數(shù)；f為工作頻率；fc為截止頻率；λg為同軸線的工作波長。

通過上式計(jì)算，可以確定介質(zhì)支撐的厚度。

3.2.3 過渡段的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為保證產(chǎn)品50Ω阻抗一致性，外導(dǎo)體內(nèi)徑尺寸將隨著內(nèi)導(dǎo)體外徑尺寸的改變而改變。2.92型產(chǎn)品內(nèi)導(dǎo)體直徑d1為Φ1.27mm，而玻璃燒結(jié)段內(nèi)導(dǎo)體直徑d2僅為Φ0.38mm，如此大的直徑突變必將引起較大反射，對產(chǎn)品電壓駐波比的影響很大。在微波波段，截面不同的同軸線所引起的反射較大，改變不連續(xù)段附近的部分結(jié)構(gòu)，可以在相當(dāng)寬的頻率范圍內(nèi)大大減小其反射，為消除這種直徑突變對電壓駐波比的影響，采取了圖3所示的結(jié)構(gòu)，對臺階處采取錯(cuò)位補(bǔ)償?shù)姆椒ǎ瑢?nèi)外導(dǎo)體階梯面錯(cuò)開位置，使其有一定距離，構(gòu)成了一段電感，以補(bǔ)償臺階引起的不連續(xù)電容，如圖4所示。

圖3 突變截面恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償形式(錯(cuò)位補(bǔ)償)

圖4 錯(cuò)位補(bǔ)償?shù)刃У屯ňW(wǎng)絡(luò)

另外，為了避免內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變過大，建議采用多臺階設(shè)計(jì)方案，逐步遞進(jìn)的設(shè)計(jì)方式可達(dá)到更好的效果，見圖5。

圖5 過渡段結(jié)構(gòu)圖

3.2.4 可靠性設(shè)計(jì)

隨著我國航天航空事業(yè)的不斷發(fā)展，對于連接器的穩(wěn)定性和可靠性的要求也越來越高，因此建議產(chǎn)品盡可能采用內(nèi)、外導(dǎo)體整體燒結(jié)來達(dá)到密封效果，此結(jié)構(gòu)具有以下三個(gè)優(yōu)點(diǎn)：

① 外導(dǎo)體為一整體結(jié)構(gòu)，避免了一些連接器外導(dǎo)體采用分體結(jié)構(gòu)因外導(dǎo)體連接處失效而導(dǎo)致連接器失效的隱患。目前一些連接器由于受到結(jié)構(gòu)和加工的限制，外導(dǎo)體采用分體結(jié)構(gòu)，外導(dǎo)體之間的連接采用收鉚或螺紋連接，產(chǎn)品在受到較大扭矩或拉力時(shí)，常出現(xiàn)外導(dǎo)體連接處松動甚至解體的狀況，因此為了保證連接器使用的可靠性，連接器的外導(dǎo)體應(yīng)盡可能的采用一體的結(jié)構(gòu)形式。

② 整體燒結(jié)結(jié)構(gòu)環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)，尤其是在一些高低溫迅速變化的環(huán)境中，采用玻珠焊接的分體結(jié)構(gòu)在焊接處易出現(xiàn)密封失效的現(xiàn)象，可靠性差，整體燒結(jié)則避免了上述隱患。我們在對這種新研制的整體燒結(jié)的轉(zhuǎn)接器進(jìn)行了-65℃～+165℃溫度沖擊試驗(yàn)，先后共兩百多只產(chǎn)品進(jìn)行了此項(xiàng)試驗(yàn)，沒有一只產(chǎn)品出現(xiàn)密封失效，可見整體燒結(jié)結(jié)構(gòu)的產(chǎn)品具有更高的可靠性。

③ 整體外導(dǎo)體屏蔽性能好，抗電磁干擾能力更強(qiáng)。

4 產(chǎn)品的關(guān)鍵點(diǎn)

4.1 整體玻璃燒結(jié)技術(shù)

整體燒結(jié)的結(jié)構(gòu)中，玻璃體位于外殼的中段，兩端外導(dǎo)體孔為深長孔，燒結(jié)時(shí)模具難以定位，燒結(jié)處質(zhì)量難以保證，這些都會使產(chǎn)品的設(shè)計(jì)尺寸發(fā)生變化，產(chǎn)生很多不確定因素，嚴(yán)重影響產(chǎn)品的裝配及電性能的實(shí)現(xiàn)。

通過不斷努力，我們解決了整體燒結(jié)的結(jié)構(gòu)中：玻璃厚薄不一致、玻璃沿外殼內(nèi)表面爬升、內(nèi)外導(dǎo)體同心度差等燒結(jié)缺陷，采用特殊的工藝手段保證了燒結(jié)后玻璃面的平整度。

4.2 轉(zhuǎn)接器界面尺寸保證

2.92型密封射頻轉(zhuǎn)接器工作頻率達(dá)40GHz，對零件的表面粗糙度，各零件的同軸度、垂直度等都有苛刻的要求。特別是對于產(chǎn)品的界面(如圖6所示)，其加工質(zhì)量的好壞將會影響到產(chǎn)品的電壓駐波比、射頻泄漏、頭座插合等。為此采取以下措施：

① 提高零件的加工精度，將尺寸公差對產(chǎn)品電壓駐波比的影響降到最低程度。

② 由于連接器插合后界面處外導(dǎo)體緊密接觸，內(nèi)導(dǎo)體之間的留有間隙，間隙的存在會影響到產(chǎn)品的電壓駐波比，因此在連接器設(shè)計(jì)生產(chǎn)中應(yīng)盡量減少內(nèi)導(dǎo)體之間的間隙。GJB5246《射頻連接器界面》中規(guī)定：內(nèi)導(dǎo)體低于機(jī)械和電氣基準(zhǔn)面0.1mm以內(nèi)(見下圖)，為提高產(chǎn)品的性能，我們通過提高零件的加工精度和采用精密裝配工藝，將內(nèi)導(dǎo)體低于機(jī)械和電氣基準(zhǔn)面的尺寸控制在0.05mm以內(nèi)，盡可能降低基準(zhǔn)面處內(nèi)導(dǎo)體之間的間隙對產(chǎn)品性能的影響。

③ 對于各個(gè)零件，尤其是機(jī)械和電氣基準(zhǔn)面處的同軸度、垂直度及表面粗糙度均有嚴(yán)格的要求，同時(shí)外導(dǎo)體界面插合處增加凹槽設(shè)計(jì)(見圖6)，以保證轉(zhuǎn)接器外導(dǎo)體接觸緊密，保證了產(chǎn)品的電壓駐波比、頭座插合及射頻泄漏指標(biāo)。

圖6 轉(zhuǎn)接器界面示意圖

5 測試結(jié)果

以2.92型密封轉(zhuǎn)接器為例，對產(chǎn)品的關(guān)鍵指標(biāo)：電壓駐波比、氣密封按GJB681A的要求進(jìn)行了測試，均滿足要求，電壓駐波比測試曲線見圖7。

圖7 2.92型密封轉(zhuǎn)接器測試圖

6 結(jié)束語

以上即是對毫米波密封轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)原理和基本結(jié)構(gòu)的探討。目前，我公司已開發(fā)了毫米波密封轉(zhuǎn)接器具有體積小、重量輕、頻率高、低電壓駐波比、高可靠性等特點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于航空、航天等許多領(lǐng)域，深受用戶的歡迎及好評。