SMPM－SMA2.9射頻轉接器的設計

真 瑩

(上海雷迪埃電子有限公司，上海市，200072)

1 引言

SMA2.9是經典的連接器界面，采用空氣介質，兼容 SMA3.5和 SMA系列，工作頻率達40GHz;SMPM是一種新型超小型快插式界面，工作頻率高達65GHz，有滑腔界面和全制動界面可選，符合MIL－STD－348標準。

SMPM型連接器系列在特征和應用上與SMP系列相似，但是，其體積要小30%。在高密度板對板連接、天線和其它有限空間里的高性能通信應用場合中，比其它盲插和推入式系列更具優勢。因其連接快捷及可靠、頻率高、體積小、重量輕等特點，使得此類連接器和電纜組件被廣泛應用于通信、測試、測量、航天、軍工、光電等領域。

就目前的市場應用情況，頻率范圍基本限于40GHz以內，多數在20GHz以內，盡管不需要更高頻率的射頻性能，卻要求結構小型化和快速盲插，所以，SMPM成了最佳選擇。SMPM產品范圍包括連接.047和.085半鋼電纜的連接器、連接PCB和面板的插座以及玻璃燒結的密閉插座等，因此需要有轉接器對提供給客戶的各種不同產品進行射頻性能測試。然而，目前所用的SMPM轉接器都是由國外設計和制作，價格很貴。畢竟，測試轉接器屬于易耗品，從成本和實際應用的角度最好自己研發和制作。當前只針對40GHz以下，著重20GHz以內的產品。為了通用性和兼容性，設計成SMPM轉SMA2.9形式的轉接器。

2 設計原理

2.1 同軸射頻轉接器設計的基本原理

SMPM－SMA2.9同軸轉接器實際上是兩個不同的同軸界面的匹配連接，所以，歸結為同軸連接器結構的設計和相互的阻抗匹配問題。

1)傳輸段特征阻抗的設計應盡可能保持一致，減少阻抗不連續性，盡量設計為50ohm。經典的同軸線截面特性阻抗近似公式為:

式中，Z0——理想同軸線的特征阻抗;

D——外導體內經;

d——內導體外經;

ε——介質相對介電常數。

2)同軸線結構選擇空氣結構，以盡量減少絕緣子對傳輸線帶來的不連續性。

3)由于兩種界面尺寸相差較大，故采用多級變換結構，將中心針從SMA2.9的相對大直徑尺寸變換到SMPM的小直徑尺寸，腔體內徑尺寸也相應呈現階梯形。這樣連接器內部出現了結構的不 連續過渡，從而造成了阻抗的不連續性。對這種不連續的臺階處所引入的并聯電容，采用常規的錯位補償方法，預置一定的錯位尺寸△用以抵消臺階造成的附加電容。在接下來的整個轉接器的設計仿真中再對該△進行優化。另外實際結構中為了安裝和固定中心針，必然引入絕緣子作為支撐。其支撐處是阻抗不連續的主要部分之一。絕緣子與腔體不連續處采用共面補償。

4)由于頻率高，支撐中心針的絕緣子本身結構和尺寸就非常重要。

2.2 絕緣子的設計與選擇

雖然SMA2.9/SMPM轉接器選擇空氣結構形式，空氣段多，高頻性能相對穩定，但無論如何必須有絕緣子支撐。絕緣子的大小、形狀和材質對射頻電性能影響很大。而且由于頻率很高，轉接器中心針和同軸腔內經尺寸很小，對應的絕緣子尺寸也很小。如此小型化的SMPM界面向使用傳統的PTFE沖壓絕緣體所支撐的中心針的結合力和保持力提出了挑戰。

雷迪埃新近研制了一種超小型PEEK樹脂鑄模絕緣子。由于PEEK樹脂是聚合物熱塑性塑料，具有優異的機械、力學性能和耐高溫熱性能，以及化學穩定性，使用PEEK樹脂絕緣子的SMPM連接器和相應的電纜組件在正常裝配和焊接過程中可承受更多的機械應力和熱能，不至于造成形變，影響性能。中心針的結合力和保持力比用傳統沖壓的PTFE絕緣子支撐更高。

這種新型的小體積PEEK樹脂絕緣子的直徑小于2mm。采用電磁仿真軟件，優化了結構，加上材料的機械、化學和熱的穩定性，射頻性能一致性也很好。射頻性能高達65 GHz。它能夠用在大多數SMPM電纜線以及連接器上。所以，這種絕緣子也是轉接器設計的最佳選擇。

2.3 一對轉接器的仿真設計

將一對同軸轉接器連接在一起來仿真設計，以達到整體傳輸線的匹配。采用微波電磁場仿真軟件CST，建立三維模型，進行電磁場仿真和設計。先代入前面所述公式計算的初步的尺寸參數，仿真時設置變量，不斷調整和優化轉接器元件內部結構和尺寸。

將一對 SMPM Male－SMA2.9 Male和 SMPM Female－SMA2.9 Female轉接器連在一起仿真，如圖1所示。轉接器內部結構的設計運用了錯位補償和共面補償兩種形式。

圖1 一對SMPM－SMA2.9轉接器3D仿真模型內部結構示意圖

設計仿真過程包括轉接器的中心針尺寸，即每級階梯段的長度和直徑，以及相應的外腔階梯內徑的尺寸，每級臺階變換位置和每個錯位△大小的設計，還有絕緣子放置的位置。仿真模型還要考慮實際樣品的可實現性，以及機械性能，比如絕緣子與中心針的定位結構和支撐位置，以保證足夠的中心針保持力;產品實際金加工和裝配可操作性也必須考慮在內。由于元件尺寸非常小，金加工和裝配的公差，對最終射頻性能會造成較大影響，所以，設計的結構應盡量簡潔，零件尺寸應盡量便于控制。下面是仿真模型結構和最終優化的射頻駐波結果。

圖2 一對SMPMe－SMA2.9轉接器的VSWR仿真曲線

雖然SMPM界面頻率可達65GHz，但 SMA2.9界面頻率只到40GHz。所以，所設計的轉接器只仿真到40GHz。經過反復優化，最終仿真達到在40GHz以內駐波比均小于1.15。

3 設計結果

3.1 實物照片

圖3 所設計的轉接器元件實物

3.2 樣品測試結果

實際制作了樣品。測試在Anritsu 37269D網絡分析儀上完成。校準用SMA2.9校準件，頻率到40GHz。將一對轉接器直接連接到儀器的測試端口上測試，其測試結果如下:

樣品一對轉接器SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female頻率(GHz)0～22GHz 22～40GHz實測值VSWRmax 1.129 1.363實測值IL(dB)max 0.197 0.381

樣品SMPM Male－SMA2.9 Male(單個轉接器:用VNA的Gate功能)SMPM Female－SMA2.9 Female(單個轉接器:用VNA的Gate功能)頻率 (GHz)0～22GHz/22～40GHz 0～22GHz/22～40GHz實測值VSWRmax 1.112/1.221 1.089/1.188

駐波比測試曲線如下:

圖4 (一對轉接器:SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female) 駐波比

圖5 (一對轉接器:SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female)插入損耗

圖6 用網絡分析儀的時域Gate功能測得一只SMP Male－SMA2.9 Male轉接器的駐波比

圖7 用網絡分析儀的時域Gate功能測得一只SMP Female－SMA2.9 Female轉接器的駐波比

測試結果與仿真結果基本吻合，曲線趨勢一致，零件加工的精度和裝配的誤差會使理論與實際值有一些差別。為了性能更好，今后還需要作一些改進，力爭將28GHz左右處的峰值壓下來。

3.3 樣品絕緣耐壓測試結果

絕緣耐壓＞500 V，測試條件60s，不擊穿;絕緣電阻＞5000 MΩ。

4 結論

設計結果在當前的使用場合是可以接收的，可應用于通訊領域的配套產品，目前已用于產品的測試。

［1］Radiall SMPM界面定義標準.

［2］Radiall SMA2.9界面定義標準.