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：

78

79

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