關于SMA連接器設計的幾個問題和改進建議

李明德

(中國電子科技集團公司第四十研究所)

關于SMA連接器設計的幾個問題和改進建議

李明德

(中國電子科技集團公司第四十研究所)

本文針對目前我國射頻連接器市場上SMA型射頻同軸連接器存在的薄壁、單一環氧樹脂灌封和兩槽插孔問題進行具體分析，指出其中不足，并提出具體的改進建議，以利于提高我國SMA型射頻同軸連接器的質量和整體水平。

SMA型射頻同軸連接器;薄壁;厚壁;單一環氧樹脂灌封;兩槽插孔

1 引言

SMA型射頻同軸連接器，最早是由美國Bendix公司在上世紀五十年代后期為配接當時的直徑為0.141英寸半硬同軸電纜專門設計的。采用1/4" 36UNS英制螺紋連接，配合界面用聚四氟乙烯(PTFE)填充，插孔開兩槽，公差帶較寬，結構比較簡單，未打算長久使用，只應用于普通的電子系統中，更沒有打算作為精密連接器使用。SMA型射頻同軸連接器一經面世，便由于它的小型化、結構簡單而在行業中得到了廣泛應用。既便在工作頻率較低小功率的應用場合，也因其成本較N型、BNC型和TNC型射頻同軸連接器低而得到應用。最初設計的SMA型射頻同軸連接器如圖1所示。

圖1 最初設計的SMA型射頻同軸連接器的結構和關鍵尺寸

在圖1中，(a)為陰性連接器，可以與兩種結構的陽性連接器配接;(b)為陽性連接器，因后被標準引用，通常稱為“標準”連接器(薄壁);(c)也是陽性連接器，因其直接用141半硬同軸電纜的內導體作為連接器的插針，電纜的介質為連接器的介質，電纜的外導體與連接器的外導體連在一起，形成厚壁結構，通常被稱為“直通型”連接器。

SMA型射頻同軸連接器從面世到現在已經過了半個多世紀。在半個多世紀里，世界各國針對SMA型連接器最初設計的先天不足，如薄壁外導體(單邊僅為0.23mm厚)，兩槽插孔，不精密，可重復性差，可靠性差和后來的單一環氧樹脂灌封固定方式等進行了大量的廣泛的研究，提出了多種改進措施。這些研究和改進措施，促進了射頻連接器的小型化、精密連接器和可靠性的發展，并取得了多項優秀實用成果。但是，目前在我國射頻連接器行業，我國設計制造的SMA型射頻同軸連接器，很多生產廠家仍然延用SMA型連接器最初的設計結構，保持了其先天不足和后期產生的不良固定方式。這些問題主要表現在:薄壁外導體、單一環氧村脂灌封和兩槽插孔。這些不良結構的存在嚴重影響著我國SMA型射頻同軸連接器的質量和可靠性。本文試圖針對目前我國射頻同軸連接器市場上，SMA型射頻同軸連接器存在的這些問題，推薦國際上成熟的、目前流行的改進措施和建議，以提高我國射頻同軸連接器的行業水平。

2 改薄壁結構為厚壁結構

最初設計的SMA型陽性連接器，外導體內徑為4.1529mm(0.1635英寸)，外導體插配外徑為4.59max(0.1808英寸)，外導體單邊厚度僅為 0.2286mm(0.009英寸)。這種近0.23mm的薄壁，機械加工時較難保證，廢品率高。連接器在插配時，在旋轉螺紋的壓力下，外導體容易變形，導致界面尺寸不穩定，可重復性差，直接影響著SMA型射頻同軸連接器的性能和可靠性。為了改進這種不良結構，世界各國研制出了與SMA型射頻同軸連接器兼容的替代產品。這些產品主要有Amphenol公司和H.P公司聯合研制的3.5mm和APC3.5型射頻連接器、Wiltron公司研制的WSMA(類同3.5mm)和K型(2.92mm)射頻連接器、Maury Microwave公司研制的MPC3(類同2.92mm)和MPC4射頻連接器、Kevlin Microwave公司研制的KMC型和Weinschel Engineering公司研制的WPM4(類同2.92mm)型射頻連接器。

由以上可以看出，這些改進型的連接器，除了MPC4仍堅持了薄壁結構外，其它的改進型基本上趨于兩種類型，即3.5mm和2.92mm型。雖然這些可以與SMA型射頻同軸連接器兼容，但在任何實際觀念上卻不能取代SMA，因而也不再把它們稱為SMA。但這些改進型給我們一個重要啟示，就是都是厚壁結構，插孔均開四槽。

在執行產品標準上，除了IEC60169－15規定的SMA型射頻同軸連接器延用薄壁結構外，MIL標準和ESA標準規定的SMA型射頻同軸連接器，在壁厚問題上均作了明確修正，不再標注外導體內徑或內導體外徑，保證按50Ω特性阻抗即可，但仍堅持保證了與國際上SMA型射頻同軸連接器插配互換尺寸。MIL、ESA和IEC等標準規定的界面關鍵尺寸結構如圖2所示。

從圖2 MIL、ESA和IEC等標準分別規定的SMA型射頻同軸連接器的界面結構和關鍵尺寸看，都是相同的英制螺紋連接，有關插配的結構和尺寸完全相同。因而，MIL、ESA和IEC標準三者規定的SMA型射頻同軸連接器產品完全可以插配互換，都是充滿固體介質的結構。關于內外導體直徑的標注方法，IEC標準規定的SMA型射頻同軸連接器界面沿用了原始SMA型射頻同軸連接器的標注方法，仍然是薄壁結構，這樣也就仍保留了其可重復性差和可靠性差的不足。而MIL標準和ESA標準規定的SMA型射頻同軸連接器界面結構尺寸，沒有注明外導體的內徑或內導體的外徑，只要滿足50Ω的特性阻抗就行了。這樣就為設計者提供了采用厚壁結構的空間，提高連接器的可重復性和可靠性。這正是MIL標準、ESA標準與IEC標準規定的SMA型射頻同軸連接器的界面結構的重要區別之處。

在我國的射頻連接器市場上，國外公司生產的SMA型射頻同軸連接器大都采用了厚壁結構，例如，外導體內徑為3.5±0.02mm。而我國的很多連接器生產廠家生產的SMA型射頻同軸連接器產品，不論是軍品，還是民品，仍舊采用薄壁結構。雖說這樣設計有標準可依據，但仍表現出設計者缺乏對連接器可靠性設計的考慮。

圖2 MIL標準、ESA標準和IEC標準規定的SMA型射頻同軸連接器界面結構和關鍵尺寸

因此，建議修正我國的國家標準(GB/T)，采用和國家軍用標準(GJB)相同的標注形式，即不標注外導體的內徑或內導體的外徑，設計時按厚壁結構設計，例如按外導體內徑為3.5±0.02mm。這樣，國家標準(GB/T)和國家軍用標準(GJB)規定的SMA型射頻同軸連接器的界面結構，采用相同的標注形式，生產時，不論是軍品還是民品，都采用厚壁結構，提高了產品的可重復性和可靠性。

3 改單一環氧樹脂灌封為它種固定方式

在目前國內射頻連接器市場上流行的SMA型射頻同軸連接器中，還常?？吹揭恍S家采用單一環氧樹脂灌封固定的結構，如圖3中(a)圖所示。這種結構由于電磁泄漏嚴重，往往是在電子系統中，查找電磁干擾源的罪魁禍首。目前看到的國外生產廠家生產的SMA型連接器，其單一環氧樹脂灌封的固定方式已經絕跡。常用的固定內導體和絕緣體的方式有:不打孔，在內導體外側采用倒刺、滾花和挖槽等形式，在相應的外導體內側挖槽補償等方式，其結構如圖4所示;或改單一環氧灌封為不注滿環氧樹脂，外加一定厚度的導電膠封口的方式，其結構如圖3(b)所示。

圖3 環氧樹脂灌封固定結構

圖4 不打孔的各種固定方式

在圖4所示的不打孔的各種固定方式中，注意倒刺方向，要方便裝配，為防止內導體旋轉，可把倒刺銑成兩扁，或銑成三角形;滾花結構中注意具有一定的導向角;補償結構按基本設計原則要求進行。

有資料顯示，單一環氧樹脂灌封結構，射頻泄漏隨著頻率的增長，泄漏越加嚴重。多數連接器具有約75～85dB的泄漏量。采用不打孔的固定方式后，將極大地改善其泄漏性能，幾乎無泄漏，具體情況如圖5所示。表2也給出了各種固定方法的電氣性能和中心接觸件固定情況。

圖5 不同固定方式的性能比較

表2 各種不同固定方式的性能比較

4 改兩槽插孔為開槽任選

SMA型射頻同軸連接器的插孔兩槽結構的危害，不像它的薄壁結構和單一環氧樹脂灌封結構的危害那樣明顯，人們都習以為常。雖然由此派生出來的3.5mm型和2.92mm型射頻同軸連接器都注意到了它的危害，插孔變為四槽，在MIL－PRF－39012/57G規定的SMA型射頻同軸連接器，也注意到了兩槽結構的危害，對插孔的要求變為“內導體開槽任選”，但在我國，對兩槽結構的危害尚沒有引起人們的足夠關注。在我國國家標準中規定的SMA型陰性接觸件仍然延用兩槽插孔的結構。兩槽插孔，由于插針和插孔兩接觸件插配時，接觸部位的接觸面積較小，因而增大了接觸電阻;兩槽插孔，在針、孔接觸件插拔過程中，兩槽插孔的兩片彈性接觸片很像兩把刮刀在刮磨著插針接觸件上的鍍層，這樣大大地降低了產品的使用壽命。

因此建議，在我國的SMA型射頻同軸連接器標準中，對插孔接觸件規定開槽時，也采取MIL標準中的規定為“內導體開槽任選”。這樣，設計者可以設計為開3槽或4槽。這樣既沒有否定早期的兩槽結構，也不影響和已有SMA型連接器的互配互換，同時還降低了產品的接觸電阻，提高了產品的機械壽命，提高了產品的電氣性能。

5 結語

SMA型射頻同軸連接器是目前國內外用途最廣、用量最大的射頻連接器產品之一。整個SMA型系列產品規格有一百多種，生產廠家很多。因此，如何提高SMA型射頻同軸連接器的產品質量和使用可靠性，與時俱進，是射頻連接器設計者和使用者都非常關注的問題。針對我國目前射頻連接器市場上呈現的延用SMA型射頻同軸連接器最初設計的薄壁外導體和兩槽插孔的先天不足，和后期出現的單一環氧樹脂灌封結構進行改進，對產品標準進行修正，設計時認真實施，勢必將大大提高我國SMA型射頻同軸連接器的質量和可靠性水平，為使用SMA型連接器的系統和用戶提供一款優質產品。

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［6］ MIL－PRF－39012/57G:2006 SMA系列(接電纜)插孔接觸件2級射頻同軸插頭連接器

［7］ ESA/SCC3402/001 SMA型50Ω(陽性接觸件)射頻同軸連接器詳細規范(2002年)

［8］ IEC60169－15:1979射頻連接器第15部分:外導體內徑為4.13mm(0.163in)特性阻抗為50Ω螺紋連接的射頻同軸連接器(SMA型)

10.3969/j.issn.1000－6133.2013.02.002

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1000－6133(2013)02－0003－06

2013－01－08