射频同轴连接器设计01第2部分(6-10)A

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射频同轴转接器的设计
吴秉钧 韩梅英
1 前言
八十年代初，根据型号任务要求，我们在国内最先开展了红七信标机和地面设备用OSM （即SMA ）射频同轴连接器的研制任务。

经过课题组全体同志数年努力和反复改进，使连接器的各项机电性能接近和达到国外同类产品水平，八九年获部科技进步二等奖。

十余年来，我们根据市场需求，不断开发新产品，到目前为止，已开发了APC-7、N 、L16、SMA 、TNC 、BNC 、SMB 、SMC 、K 、2.4mm 、MCX 等系列连接器、转接器、精密电缆组件及部分微波元件近五百种，除满足型号任务需要外，还提供给国内外近百个单位使用。

由于SMA 射频连接器的研制成功和广泛应用，许多用户为解决部件性能测试，提出了SMA 与SMA 、N 型、APC-7等系列内和系列间转接器的要求，所以我们首先开展了SMA 与SMA 及N 型转接器的研制和设计，十几年来历经四次改进提高，不仅在电性能，而且在机械性能，特别是可靠性方面都有很大提高。

随着产品质量的提高，用户的需求也不断增加。

因此决定先对下列六种转接器进行设计定型，其中包括SMA 系列内转接器两种，SMA 与N 型系列间转接器四种，它们是：SMA-50JJ 、SMA-50KK 、N/SMA-50JJ 、N/SMA-50JK 、N/SMA-50KJ 、N/SMA-50KK 。

2 射频同轴转接器设计
2.1 设计原理
射频同轴连接器、转接器作为同轴传输线的连接元件，对其最基本的要求是与传输线特性阻抗的良好匹配，以减小能量的反射，所以在同轴连接器、转接器的设计中，必须遵循下列三条原则，这关系着连接器、转接器电性能优劣的关键所在。

2.1.1 在同轴传输线方向上尽可能保持一致的特性阻抗
通常同轴传输系统是一个阻抗连续分布并保持不变的系统，如果由于同轴转接器的引入使传输系统在该处的阻抗发生变化，则会影响系统的性能。

当转接器特性阻抗偏离传输系统的特性阻抗时，而引起的转接器电压驻波比变化为
O O
Z Z VSWR ∆+=1
式中：△Z O 为特性阻抗的偏离值
Z O 为特性阻抗
2.1.2 不连续性的共面补偿
连接器或转接器的设计中，为了固定内、外导体的相对位置，必须要加介质支撑。

由于绝缘支撑的介入，使该处的介电常数发生变化，所以不可避免地要对内、外导体进行切割，引起不连续电容，使得本来较为均匀的传输线变得不均匀。

若设计不当，将会产生严重的反射，还会激发高次模，影响整个传输线或转接器的性能，因此，必须十分重视绝缘支撑的设计。

但是，射频同轴转接器的宽带补偿是一个很复杂的问题，它涉及到所采用的设计方案和结构是否合理，选用的介质性能等，它也是连接器和转接器设计的关键所在，补偿的好坏直接影响到其电性能，特别是在N 到SMA 不同系列间转接器的设计，由于尺寸
变化较大，我们通过多次设计改进，较圆满地解决了这一技术问题，使设计的转接器在宽频带具有良好的电性能。

2.1.3 减少机械加工误差和装配误差
射频同轴转接器内、外导体及绝缘支撑的加工过程中，不可避免出现误差，如果加工误差太大，会直接影响转接器指标，值得提出的是转接器加工中轴向公差控制也是十分重要的。

因为轴向公差过大，导致插针和插孔间隙过大，从而增大反射。

关于转接器内、外导体尺寸的确定及N型、SMA连接器界面尺寸，截止频率的计算等在设计规范中已详细介绍，这里不在赘述。

2.2 提高转接器的机电性能和可靠性的途径
前面我们较详细地介绍了连接器、转接器的设计原则，但是在实际工作中如何灵活、准确地应用好这些原则是十分重要的，但同时也是十分复杂的。

这是因为实际工作中出现的问题常常是千变万化，如何用不同方法来解决不同的问题，其中有设计结构问题，也有材料和加工工艺问题，这都可能影响转接器机、电性能和可靠性，下面我们结合近二十年来的工作谈几点体会。

2.2.1 补偿设计
在系列间连接器或不同阻抗变换器设计中，首先碰到的问题是内、外导体、尺寸不同，欲把两种不同系列（或阻抗）接头连接起来，必须要有一段过渡段，过渡段的种类很多，在通常精密的转接器或同轴元件设计中，常见的过渡段形式有直角阶梯过渡、锥形过渡、抛物线过渡等。

就其反射大小而言，抛物线等曲线过渡反射最小，但是加工工艺难度大、成本高，适用于计量级转接器和元件设计中采用，应用最多的是锥形过渡和直角阶梯过渡，但锥形过渡其过渡段长度要足够长才能得到满意效果，据报导直角阶梯过渡若设计得当同样能得到在宽频带内良好的特性，我们的工作实践也证明了这一点。

所以目前国、内外转接器大多数是采用直角过渡，但是直角阶梯过渡补偿得不好，反射很大。

因此设计时一定要特别注意。

所谓直角阶梯过渡即把内、外导体的阶跃不连续形成的电容用一段“△”高阻抗段进行补偿，如图1所示。

图1 直角阶梯过渡及等效电路
补偿区内、外导体的比值较大，即它的特性阻抗比两边特性阻抗高，形成了一段电感，补偿了阶跃电容的作用。

当△远小于波长时，可用集中参数LC的π型四端网络参数，其公
式如下：
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111D D n K D =
∆ 式中：△为错开距离
K 为常数 K 50Ω=3.09
K 60Ω=2.90
K 75Ω=3.04 上式适用于1
D D 〈3; 当1
D D 〈4；则△≈81D ； 据报导，当1
D D 〉4时，直角阶梯补偿是很困难的，宜采用锥形或抛物线过渡。

本设计采用直角阶梯过渡，通过反复试验，进行修正，取得了较为满意的效果。

2.2.2 外导体端面接触结构设计
在美军标详细规范中，N 型连接器界面都开槽，众所周知，内、外接触件开槽对特性阻抗有影响，其影响可由下式表示：
2)(125.0N
W Z =∆ 式中：N 表示槽的数目；
W 表示内、外接触件开槽的槽宽。

从上式可知，△Z 与槽宽成正比，槽宽越大，阻抗变化越大。

N 型连接器内接触件是插针、插孔结构，不可避免要采用开槽形式，外接触件界面结构改用端面接触，以减少开槽对特性阻抗的影响，而导致反射增大。

必须指出采用端面接触结构后对外接触件的定位精度、端面精度和同轴度的要求应适当提高，以保证内、外导体良好接触。

改进后不仅简化了工艺，而且降低了电压驻波比，同时转接器的屏蔽效果也进一步提高。

2.2.3 提高镀金层耐磨性
射频同轴转接器属电接触元件，接点的镀金质量直接影响电接触性能和可靠性，提高镀金层的致密性和耐磨性是十分重要的。

我们的产品选用超声滚镀工艺，不仅提高了镀金层的致密性和耐磨性，而且由于镀金时采用超声搅拌镀液，使小孔内表面也能镀金，从而保证了接点的良好导电性。

2.2.4 不断提高产品性能和可靠性
二十年来的设计和生产实践告诉我们，产品的可靠性是设计和加工出来的，对过去产品中出现的每一个质量问题我们都能做到认真研究、仔细分析，分析失效原因，找出失效模式，及时采取改进措施。

属于设计不合理，立即修改图纸，属于工艺、加工问题，及时
通知工厂并协助他们查明原因，采取有效的改进措施，避免今后再发生类似质量问题。

例如，八十年代初期，我们的SMA连接器、转接器全部采用液氮装配，绝缘介质在-197℃液氮速冻后再取出来压入外导体孔内，当时我们也做了紧固力试验，都能达到美军标要求，后来少数用户反映部分连接器时间久了，有些轴向产生窜动，我们及时分析原因，这是由于聚四氟乙烯与其他材料亲和力小，同时聚四氟乙烯膨胀系数大，随着温度变化，介质径向产生少量收缩，因而在轴向力的作用下松动了，这是设计问题，于是查资料，根据美国专利，采用液氮装配后再用环氧树脂灌注，这样就不再出现类似质量问题。

又例如，生产连接器初期，部分用户反映我们的SMA连接器螺母有脱落现象，当时我们检查了卡环材料确实是铍青铜做的，且热处理后硬度也全部合格，为什么有时卡环脱落呢？我们分析后发现卡环工艺不合适，原来工厂是用铍青铜板冲制成型，这样，卡环弹性受力方向与材料压延方向不一致，虽然热处理后硬度值合格，但是弹性并不理想，后来改用铍青铜带压延方向卷制成型工艺，使卡环的弹性明显改善，再也没有螺母脱落现象了。

像这样的例子很多，我们通过上述事例说明产品设计不当或工艺错误都可能导致产品失效，影响产品可靠性，因此我们应认真地处理好产品出现的每一个质量问题，才能保证我们的产品质量不断提高。

3 转接器的性能测试及达到的技术指标
转接器虽小，但是其指标项目却很多，而且有些指标测试难度也较大。

为了确保产品定型工作建立在稳固的基础上，以提供航天用合格产品，我们对六种转接器机械、电性能、耐环境全部指标按规范要求进行了全面鉴定。

我所是国防科工委一级计量检测中心，电压驻波比、插入损耗和射频泄漏三项指标分别由我所网络分析仪组和衰减组进行鉴定。

一院计量站是科工委系统长度、热学、力学一级计量站，所以力学方面指标鉴定全部由一院计量站完成。

环境条件试验委托二院699厂例行试验室完成。

经过转接器十八项指标全面鉴定和试验，各项指标均达到了详细规范规定的指标要求，各项例行试验电性能测试详细情况另有专题报告。

下面我们把转接器主要指标测试结果简要介绍一下。

3.1 电压驻波比、插入损耗的测试
为了测量鉴定转接器的传输和反射特性，据报导目前国外大多是在网络分析仪上进行的。

我们这次鉴定样品的测试是在HP8510B网络分析仪上完成的。

测试结果表明，其全部指标都达到203所详细规范要求，接近并达到国外九十年代同类产品水平。

3.2 射频泄漏的测试
我所对射频同轴转接器的射频泄漏指标的测量，参照美军标总规范规定的方法，专门研制设计了一台三同轴测试装置，并利用VM-4B衰减校准装置进行自动扫频测量。

测试结果表明，我们生产的转接器在2-4GHz频率范围内，射频泄漏为-75dB。

达到了美军标规定的要求。

测试结果见表2。

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表2 国内外转接器性能测试比较表
4 结束语
这次我们提交定型鉴定的六种产品，虽然都已生产二十年之久，其中N-SMA转接器历经数次较大的修改，但均为小批量生产，每批200套左右，每年二、三批，所以过去每次修改后总是对主要电性能进行检测，若电性能改善了就以新结构取代旧结构。

近年来，用户的需求量不断增加，又具有二十年小批量生产的经验，所以，决定先对六种产品进行设计定型，全面地鉴定六种转接器的各种指标，更好地满足型号任务对连接器、转接器的需要。

通过对连接器、连接器十八项指标进行鉴定或试验。

证明我们的连接器、转接器全部指标都达到产品详细规范规定的要求。

参考文献
[1] 吴秉钧：HQ-7 OSM射频同轴连接器研制报告，《宇航计测技术》，1985年第1期
[2] Marioa Maury Jr:Improving SMA Test with APC3.5 hardware ，《Microwave》，vol.20，No.9 1981.Septemper
[3] 同轴线中被补偿不连续性的反射系数及最佳尺寸的确定，《无线电工程译文》，1971年第2期。

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目前在射频连接器设计中值得提倡的几个问题
李明德
【摘要】本文从有利于提高产品性能、有利于降低产品成本和有利于提高产品可靠性出发，从目前国内外射频连接器市场上流行的产品结构中，筛选出不开槽、一件式、近缆支撑、压接或焊接和以直式代弯式等五种结构，作为值得提倡的产品结构。

【关键词】结构设计经济实用提倡
1 引言
经济实用或说物美价廉是所有产品设计的基本原则。

也是开拓市场的有力武器，更是顾客采购产品的基本准则。

经济实用，即指在满足射频连接器相关标准或技术规范的前提下，重点是做到产品具有较好的性能（电气性能、机械性能、耐环境性能等），较低的成本和较高的产品可靠性。

所有这些，都是射频连接器设计师们关注的焦点和力所追求的目标。

经济实用是目前射频连接器市场竞争的要求。

随着改革开放和科技的迅猛发展，射频连接器市场竞争越来越激烈，产品价格越来越低，产品性能要求越来越高，伴随着材料价格和劳动力的升值，使产品进入到微利甚者无利时期。

企业家们在向管理要效益的同时，也在向设计要效益。

强烈地要求从改进设计入手降低产品成本。

当然，降低成本不应以牺牲产品任何性能和牺牲产品的可靠性为代价，更不能搞假冒伪劣。

这就要求产品设计师们在设计上优化结构，开拓创新，使产品在降低成本的同时，还要有利于提高产品性能，有利于提高产品的可靠性，再者，随着通信事业的快速发展，无源交调失真的出现，有必要对以前常见的一些产品结构重新评价，使其满足低交调干扰设计的需要。

为此，从目前市场上流行的一些产品结构中，选出以下几种结构，进行分析讨论，本文认为这些结构值得提倡。

2 值得提倡的几种产品结构
2.1 由开槽改为不开槽
在一些射频连接器的界面（接口）结构中，通用连接器（2级）的外导体接触头部位，通常设计成开槽的弹性接触结构。

例如：IEC60169-16和GB11314 N型、IEC60619-17 TNC 型等均为开槽结构，IEC60619-4 7/16型给出开槽和不开槽两种结构。

为了保证良好接触，对开槽结构，在装配前，通常要求要进行涨口，按标准要求还要用标准环规进行检验。

在产品标准中，都给出了环规的结构尺寸和重量的具体要求。

为提高产品性能，提高产品可靠性，外导体的开槽结构，完全可以改为不开槽结构。

具体产品结构如图1所示。

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图1 7/16型N 型和TNC 型开槽结构和不开槽界面结构对比
采用不开槽结构有以下好处：由于不开槽，节约了因开槽所需的加工费用。

如：刀具、工时、人工工资等费用；减少了因开槽产生的毛刺，需要去毛刺的工序及其产生的相应费用；同时也减少了装配前需要涨口和制造涨口工装等工序及其相应的费用。

在电气性能方面，由于不开槽，减少了因开槽造成的对射频连接器电压驻波比、射频泄漏和产生无源交调干扰的影响；增大了外导体系统的接触面积，减小了外导体接触电阻，有利于提高产品
的电气性能；同时，由于不开槽，增强了外导体的机械强度，再不会因开槽在长久多次插
拔后，外导体产生“飞片”或局部断裂等失效现象。

提高了产品可靠性。

对于外导体的不开槽结构，在MIL-STD-348A（1988年4月）中，N系列插针接触件试验连接器界面，TNC系列插针接触件试验连接器界面和TNCA系列插针接触件连接器界面（空气界面），其中外导体端部均是不开槽的结构。

在IEC60169系列标准中，N型插针接触件标准试验连接器界面（0级），TNC型插针接触件标准试验连接器界面（0级），TNC18GHZ型插针接触件连接器界面（1级）和插针接触件标准试验连接器界面（0级），其中的外导体端面结构也均是不开槽的。

可见不开槽的结构有利于提高产品的各项性能。

在目前射频连接器市场上，7/16型、N型的通用连接器不开槽结构已经广为流行，TNC型的不开槽结构已经出现，但不多见。

2.2 由两件式改为一件式
两件式或多件式是指在射频连接器的外导体或内导体的结构设计中，从界面端口到端接电缆的外导体或内导体处，把外导体或内导体设计成由两个或多个零件组成。

一件式则指是把外导体或内导体设计成只是一个零件。

在目前射频连接器市场上，N型通用连接器（2级）（MIL-C-39012/1），TNC型插针接触件连接器，一些厂家设计成两件式。

如上图1中C图所示为两件式。

a、b、d、e、f图为一件式结构。

少数厂家把7/16型也设计成两件式或多件式，如图2所示。

图3为一些两件式或多件式产品结构的图片。

对于这些型号的连接器，外导体或内导体设计成何种型式，产品标准中没有明确的严格规定，往往是由生产厂家根据本厂情况而定。

之所以要设计成两件式或多件式，其主要理由可能是为节约原材料或按产品标准示例。

但是，为了低交调干扰设计和提高产品性能降低成本的需要，尽可能把两件式或多件式结构设计成一件式结构。

当两件式不可避免时，如以下图4中b图和图5中b图结构，应注意增大接触压力和增大接触面积或采用压环过盈配合压配，尽可能降低接触电阻。

图2 7/16型射频连接器两件式结构
对于两件式结构（N型、TNC型）是否可降低成本，具体分析如下：对于N型、TNC 型产品，尤其是其中配接皱纹导体较大尺寸的射频同轴电缆产品，把接触头部分和壳体分成两件（如图3所示），分别单独加工，在材料上肯定比整体一件式用料省。

对于无三阶交调指标要求的产品应该说是合理的。

但是对要求低交调的产品则是不可取的。

这里把一件
式与两件式作对比，分析利弊如下：
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图3 一些两件式或多件式产品（如图a 、b ）
一件式结构，减少了射频电流在外导体内表面电流通道上的零件数量，因而也减少了由接触面引起的接触非残性，有利于降低交调的干扰和降低电压驻波比；
一件式安装迅速且可靠，减少了因两件式需装成一体（如图1中c 图）的装配工序，节约了装配所需要的工装及其相应的费用；
一件式性能比较优良。

外导体一体加工保证了零件的同轴度，降低了接触电阻，减少了因同轴度的偏差以及较大的接触电阻对电压驻波比的影响；
一件式结构可靠性比两件式好。

消除了因两件式装配不当带来的接触头与壳体压的松紧不一、接触不良，同时也避免了接触头脱落产生的失效，因而提高了可靠性。

从以上利弊分析和综合成本对比看，一件式还是优于两件式或多件式。

尤其是对交调设计的要求。

在目前射频连接器的市场上，7/16型、N 型和TNC 型产品一件式结构逐年增多。

2.3 由远缆支撑改为近缆支撑
所谓远缆支撑和近缆支撑是指在射频电缆连接器的结构设计中，绝缘支撑的位置。

绝缘支撑远离电缆端面的称为远缆支撑，接近电缆端面的称为近缆支撑。

在目前射频连接器市场上，这两种结构并存，以7/16型产品为例，其具体结构如图4可示。

图4 7/16型远缆支撑和近缆支撑结构对比
不论是远缆支撑结构，还是近缆支撑结构，不论在机械性能上，还是在电气性能上，这两种结构的产品均能达到满意的结果。

但是在产品的用料上，远缆支撑结构的产品明显
比近缆支撑的结构产品长，因而用料多成本就高，这样按近缆支撑结构设计，在同等条件
下，可以比远缆支撑结构明显降低成本，何乐而不为呢？
2.4 由夹接式改为压接式或焊接式
在射频电缆连接器的端接电缆结构中，通常有夹接式（又称装接式、螺纹夹接端接）、压接式和焊接式等结构形式。

夹接式连接器中的插针通常被焊接在已剥制并修整平的同轴电缆的中心导体上，通常用旋紧圆柱形压紧螺母的方法把电缆编织屏蔽网压紧在连接器壳体内部金属垫圈与衬套之间，并使橡胶圈紧固电缆护套。

这种端接方法的优点是，端接牢固，提供了一定程度的防水防潮作用。

并允许终端元件重复使用。

连接器可以在应用单个开口扳手的场合进行安装而不需要特殊的专用工具。

缺点是体积大用料多，成本较高，不利于降低无源交调干扰。

压接式结构是把连接器的中心插针的管状一端装到已剥制好的并已修整平的同轴电缆的中心导体上，用专用压接工具对管状部位进行压接。

用这种方法使内导体系统两零件之间形成一个气密性连接，然后把装好插针的电缆插入连接器壳体，再把电缆的编织屏蔽网松扩放在连接器壳体的压接套管上，再装上圆形压接套管，用专用压接工具进行压接。

这种端接方法的优点是用料省，一致性好，适用于大批量生产，成本低，压力大，强度高。

缺点是连接器不能重复使用，并且需要专用压接工具。

焊接式结构类同于压接式结构，不同的是连接器的内导体和电缆的内导体用焊接方法焊在一起，而外导体部分没有压接用套筒，直接焊接在一起，这种端接方法更适用于半软电缆和半硬同轴电缆。

其优点是体积小，用料省，接触最可靠，缺点是不适合野外安装装配。

以N型产品为例，夹接式和焊接式结构对比如图5示：
图5 N型电缆连接器夹接式结构与焊接式结构对比
从以上三种端结构分析对比来看，三种结构都具有各自优缺点。

但从总体来看，夹接式结构的成本远大于压接式和焊接式结构，要满足低交调设计要求，只能采用焊接式或压接式。

在目前通信用电缆组件市场上，都广泛采用焊接式或压接式结构。

5.5 在需要弯式电缆连接器的场合，尽可能用直式连接器弯曲电缆来实现
在整机互连系统，当元件密集，空间有限，需要弯式电缆组件时，一般说来，存在三种选择方案：采用补偿型直角弯式连接器再配接电缆；采用弯曲型（壳体自然弯曲90°）连接器再配接电缆；采用直式焊接型连接器弯曲电缆来实现。

经补偿的直角弯式连接器和弯曲型连接器与直式焊接型连接器相比，通常是直角弯式连接器结构复杂，价格比直式的高，性能比直式的差。

因此，在需要弯曲式电缆组件时，采用直式焊接型再弯曲电缆的方
式既降低了成本，又达到满意的效果。

以SMA为例，三种型式对比如图6所示：
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（1）补偿直角弯曲型（2）弯曲型（3）直式焊接型弯曲电缆
图6 SMA型弯式电缆组件性能比较
3 结束语
以上所提倡的几种做法，是从目前射频连接器市场上流行的产品结构中，经分析对比筛选出来的，并经实践证实是行之有效的。

但是不是绝对的对任何一种产品都适用。

在射频连接器的结构设计中，各种结构都有它的产生背景，都具有它本身独到的特点和适用范围，都有它存在的必要。

在实际设计中，应从具体产品整体结构设计出发，根据实际需要和可能以及设计要求，合理选择，不必刻求。

在同一产品中，可选其一项也可多项，总之尽可能做到结构合理，既提高了产品性能、提高了产品可靠性，又降低了成本，即作到经济实用。

参考文献
1．Department of Defense Imterface Seandard MIL-STD348A 20 April 1988
2．60169-4 1975射频连接器第4部分：外导体内径为16mm（0.63in）、特性阻抗为50Ω、螺纹连接的射频同轴连接器（7-16型）
3．IEC60169-16 1982射频连接器第16部分：外导体内径为7mm（0.276in）特性阻抗为50Ω（75Ω）、螺纹连接的射频同轴连接器（N型）
4．IEC6169-17 1980射频连接器第17部分：外导体内径为6.5mm（0.265in）特性阻抗为50Ω、螺纹连接的射频同轴连接器（N型）
5．IEC6169-26 1993射频连接器第26部分：特性阻抗为50Ω、频率范围为0～18GHz 螺纹连接的射频同轴连接点（TNC18GHz型）
6．Handbook of Electronic Connectors Chapferl.R.F Intre Connection David
H.Standing p49-41
87。