110GHz射頻同軸連接器的研制

柏雪崧

(中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

110GHz射頻同軸連接器是一種毫米波元件。由于毫米波元件工作頻率高，不易被截獲和干擾;頻帶寬，適用于高速傳輸超大容量的信號;有較強(qiáng)的霧、云、塵埃穿透能力和核爆環(huán)境中保持通訊的能力，可廣泛應(yīng)用于毫米波通訊和雷達(dá)系統(tǒng)等現(xiàn)代信息化綜合電子系統(tǒng)。作為毫米波傳輸線的一種，110GHz射頻連接器具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，更易實(shí)現(xiàn)小型化、輕量化的需求，其應(yīng)用范圍越來越廣泛。國際上，在DC～110GHz頻段，同軸毫米波元件已逐漸替代了昂貴的、笨重的波導(dǎo)元件。

我們于2011年開始研制在110GHz頻段上的連接器，目前已通過試驗(yàn)驗(yàn)證并應(yīng)用，其性能與國外同類產(chǎn)品相當(dāng)。下面我們主要闡述該連接器的研制情況。

2 主要性能指標(biāo)

110GHz射頻同軸連接器主要技術(shù)指標(biāo)參見表1所示。

表1 110GHz射頻同軸連接器主要技術(shù)指標(biāo)

3 設(shè)計方案的確定

3.1 110GHz射頻連接器的特點(diǎn)

110GHz射頻連接器有幾個明顯的特點(diǎn):首先是連接器的工作頻率接近相同規(guī)格空氣同軸線的截止頻率，這就決定了連接器內(nèi)部盡量采用空氣同軸式結(jié)構(gòu)，對不可避免的介質(zhì)支撐和內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)帶來的影響要設(shè)法降低。其次是內(nèi)導(dǎo)體采用有極性的針孔式結(jié)構(gòu)，這是因?yàn)樵谛〕叽绲那闆r下采用無極性的平面接點(diǎn)會造成很多困難。

110GHz射頻連接器的結(jié)構(gòu)雖然有各式各樣，但它們的基本作用有兩個:連接或轉(zhuǎn)接。圖1是110GHz射頻連接器的典型結(jié)構(gòu)圖。

110GHz射頻連接器在內(nèi)外導(dǎo)體之間除兩個絕緣支撐外全部由空氣介質(zhì)填充。這就避免了用固體介質(zhì)填充時所帶來的問題，例如空氣隙的長度難以得到控制，并且還會隨溫度而變化;傳輸線阻抗不穩(wěn)定，因它取決于固體介質(zhì)的電常數(shù)和尺寸。另外采用空氣介質(zhì)對用戶也有利，因?yàn)檫B接器的特性阻抗能夠通過內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸(d、D)兩個簡單物理量的測量就能判定。由空氣介質(zhì)填充的連接器性能比較穩(wěn)定，在任意配對的情況下其性能基本相近，獲得了較高的重復(fù)性能。

圖1 110GHz射頻連接器結(jié)構(gòu)圖

110GHz射頻連接器的基準(zhǔn)面在陰、陽內(nèi)導(dǎo)體的結(jié)合處，結(jié)構(gòu)上要保證在這個地方能形成緊密的接觸、無縫隙存在。中心導(dǎo)體的連接是由陰接觸件(插孔)夾持住陽接觸件(插針)而形成。其中插孔最關(guān)鍵，它直接影響到連接器的精度、可重復(fù)性、耐久性以及高頻性能。一個好的插孔應(yīng)當(dāng)具有與插針的接觸面積大、接觸壓力小、插拔力低以及彈性爪要有足夠的彈性，并且在安裝上要確保與插針的同軸性。在毫米波連接器中一般都采用開槽式結(jié)構(gòu)的插孔。

插針插孔的接觸狀態(tài)對連接器的性能有很大的影響，要使一對連接器配對后能達(dá)到最佳的匹配狀態(tài)，陰、陽中心導(dǎo)體應(yīng)當(dāng)完全接觸在一起，使它們之間沒有間隙的存在即G=0，因?yàn)槿魏伍g隙都將引起一個串聯(lián)電感而出現(xiàn)不匹配。由于這個理由，一個理想連接器的中心接觸件的接觸端面到基準(zhǔn)面的公差應(yīng)當(dāng)是±0，即g=0。事實(shí)上，理想狀態(tài)是不可能的，但是中心導(dǎo)體的接觸間隙又是有害的，所以要求連接器中心導(dǎo)體到基準(zhǔn)面的公差(g)應(yīng)當(dāng)為零或者是在一個允許的很小的負(fù)數(shù)。

110GHz射頻連接器的連接機(jī)構(gòu)采用螺紋形式:連接螺紋為M4×0.7;采取空氣界面，外導(dǎo)體內(nèi)徑為1.0mm，插孔的外徑為 0.434mm，孔徑為 0.26mm，壁厚最薄僅為0.07325mm，強(qiáng)度非常差，且使用時插孔外部為空氣界面，沒有介質(zhì)保護(hù)，因此使用可靠性要求特別高，同時，外導(dǎo)體內(nèi)表面、內(nèi)導(dǎo)體外表面的表面質(zhì)量要求特別高，要求表面粗糙度Ra不大于0.4μm。

在毫米波連接器中為了固定內(nèi)、外導(dǎo)體，常常使用絕緣介質(zhì)來做支撐。在均勻同軸線中引進(jìn)的絕緣支撐對同軸線的傳輸特性將發(fā)生很大的影響:由于內(nèi)、外導(dǎo)體直徑的變化以及介電常數(shù)的不同，將直接影響到特性阻抗的變化，設(shè)計不當(dāng)將會產(chǎn)生嚴(yán)重的反射。另一方面，在均勻同軸線中有限長的絕緣子會引起振蕩激勵作用，使得同軸傳輸線的截止頻率受到約束而下降，并且還會使高頻電場傳輸不穩(wěn)定。

由于110GHz射頻連接器的的工作頻率接近相同規(guī)格空氣同軸線的截止頻率，限制了絕緣介質(zhì)支撐材料的相對介電常數(shù)也要相當(dāng)小，接近空氣的介電常數(shù)εr=1，就要求采用低介電常數(shù)或用特殊方法得到低介電常數(shù)的介質(zhì)支撐。

同時，由于110GHz射頻連接器的內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸極小，為了保證連接器的電壓駐波比、插入損耗、介質(zhì)耐電壓、絕緣電阻等指標(biāo)，還必須對連接器內(nèi)導(dǎo)體、絕緣支撐、外導(dǎo)體間的同軸度等位置公差有更高的要求。

3.2 110GHz射頻連接器的結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵參數(shù)設(shè)計

110GHz射頻連接器的插頭和插座相連接的接口設(shè)計是連接器的關(guān)鍵，它不僅影響到產(chǎn)品的互換性，而且直接影響到連接器的電氣性能。110GHz同軸連接器內(nèi)外導(dǎo)體之間除很薄的支撐絕緣支撐外，全部由空氣介質(zhì)填充，因此，連接器的接口可以把它看成一段帶絕緣支撐的空氣同軸線。

工作至110GHz的1.0連接器最早是由HP公司提出，國際電工會議已制定了該連接器的標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)號為IEC61669－31，其界面主要尺寸見圖2。

根據(jù)傳輸線的經(jīng)典理論公式可分別初步計算連接器內(nèi)、外導(dǎo)體的直徑和截止頻率。

圖2 1.0連接器界面尺寸

圖3 1.0/KK型連接器

毫米波連接器的特性阻抗計算公式:

式中，

真空導(dǎo)磁率 μ0=4π ×10－7享/米

光速 C0=299，792，458 ±1.2 米/秒

計算出連接器內(nèi)、外導(dǎo)體的直徑后，絕緣介質(zhì)支撐的材料選定后，根據(jù)50Ω空氣線的理論截止頻率計算的近似公式:

以上圖連接器為例，其內(nèi)結(jié)構(gòu)見圖4，內(nèi)、外導(dǎo)體在絕緣支撐處A－A、空氣介質(zhì)處B－B的截止頻率分別為:

圖4 連接器介質(zhì)支撐結(jié)構(gòu)

從以上計算結(jié)果可知，設(shè)計的連接器的截止頻率滿足110GHz的要求。

110GHz射頻連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計必須滿足其主要電氣性能。這是連接器結(jié)構(gòu)性設(shè)計的根本，同時需要配接電纜的連接器為了保證電纜組件的電性能，還要設(shè)計合理的與電纜配接結(jié)構(gòu)。

初步設(shè)計圖紙完成后，還必須對內(nèi)、外導(dǎo)體直徑的公差和同軸度，內(nèi)導(dǎo)體軸向間隙等進(jìn)行合適的規(guī)定。

110GHz射頻連接器內(nèi)外導(dǎo)體直徑的公差計算公式:

G——間隙寬度(mm)

f——頻率(GHz)

△S——電壓駐波比增量

d 和 dg——直徑(mm)

ω——插孔開槽寬度(mm)

N——開槽數(shù)目

設(shè)計時，先根據(jù)理論計算公式對內(nèi)、外導(dǎo)體直徑公差、偏心度及內(nèi)導(dǎo)體軸向間隙進(jìn)行初步規(guī)定。

3.3 介質(zhì)支撐材料、結(jié)構(gòu)

介質(zhì)支撐零件是毫米波連接器的關(guān)鍵件之一。微波傳輸路徑中的絕緣材料要求相對介電常數(shù)和介質(zhì)損耗角正切要小、較高的體積電阻率和介電強(qiáng)度，耐溫度范圍寬，尤其要耐高溫。傳統(tǒng)的毫米波連接器絕緣介質(zhì)材料是聚四氟乙烯和氟聚物，但不能采用實(shí)芯結(jié)構(gòu)，而要采用去除部分介質(zhì)技術(shù)設(shè)計新型的絕緣支撐結(jié)構(gòu)，以降低絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)值。

3.3.1 絕緣支撐厚度

在均勻同軸線中絕緣支撐的諧振頻率是絕緣支撐厚度B和其介電常數(shù)的函數(shù)。在厚度B一定時，諧振頻率隨介電常數(shù) 的減小而升高;在 一定時，諧振頻率隨絕緣支撐厚度B的減小而升高。當(dāng)B趨近于零時，就成為一個空氣同軸線，其諧振頻率由它的截止頻率所決定，這時波在空氣中能穩(wěn)定傳輸而不發(fā)生諧振。而當(dāng)B接近外導(dǎo)體直徑D時，由于絕緣支撐諧振作用使得同軸線中的電磁波傳播極不穩(wěn)定，并使得同軸線的截止頻率受到約束而下降。由此看來，絕緣支撐厚度必須小于外導(dǎo)體的直徑(B＜D)，而且厚度越薄越好。

在同軸線中不發(fā)生H10(TE10)高次模時，絕緣支撐厚度B的關(guān)系式為:

式中，

λg——同軸線的工作波長

f——工作頻率

fc——截止頻率

εr——絕緣支撐的相對介電常數(shù)

3.3.2 絕緣支撐間距

一對同軸連接器插合好后，絕緣支撐在同軸線中的位置模型如圖5所示。A表示兩個絕緣支撐之間的距離，A1表示一個絕緣支撐一面到同軸線直徑發(fā)生突變的平面之間的距離。

圖5 絕緣支撐位置模型

絕緣支撐諧振不但是一個絕緣支撐本身的電場所決定的，而且外部空間的影響也很重要。在A空間兩個絕緣支撐的電場會互相作用而影響到它們的諧振條件。在A空間也會產(chǎn)生寄生振蕩電場，使諧振頻率受到約束而下降。經(jīng)對它們諧振特性研究表明:兩個絕緣支撐之間的距離A必須達(dá)到相當(dāng)大的值，約為A=2D時，兩個絕緣支撐的相互影響就較小，到A=3D以上時，相互影響就可以忽略了。對于單個同軸連接器來說，每個絕緣支撐必須離開基準(zhǔn)面大約1～1.5倍D的距離。A1對諧振頻率的影響與有兩個絕緣支撐時的情況相似，但這時相當(dāng)于單個同軸連接器的情況，當(dāng)A1=D時，諧振頻率與A1就沒有什么依賴性，A1再增大影響也不大，到A1=1.5D以上時，影響就可以忽略不計了。在110GHz射頻連接器設(shè)計中，絕緣支撐之間的距離應(yīng)滿足下列條件:

A≥2D，A1≥D

3.3.3 低介電常數(shù)絕緣支撐

同軸線要達(dá)到穩(wěn)定傳輸而不發(fā)生振蕩，那么絕緣支撐的厚度越薄越好。但是由于結(jié)構(gòu)上機(jī)械支撐的需要，絕緣支撐的厚度又不能做得太薄，否則會影響內(nèi)導(dǎo)體的穩(wěn)固性和直線度，不僅會影響到高頻傳輸特性，而且還會直接影響到陰、陽內(nèi)導(dǎo)體的插配，增加磨損，降低壽命。從實(shí)現(xiàn)良好的支撐作用出發(fā)，又希望絕緣支撐厚一些好。從上述的絕緣支撐厚度關(guān)系式可以看出，在同軸線結(jié)構(gòu)確定的情況下，要得到較厚的絕緣支撐只有設(shè)法降低絕緣支撐的介電常數(shù)εr。

經(jīng)過研究及試驗(yàn)證明，采用混合介質(zhì)支撐的最好方法是采用整體絕緣支撐上去掉部分介質(zhì)材料的辦法。實(shí)際上，它是一種用空氣與介質(zhì)材料組合的絕緣支撐。就絕緣支撐整體效應(yīng)而言，起到了降低絕緣支撐介電常數(shù)的作用，稱之為等效(或平均)介電常數(shù)，其計算公式為:

式中，εr——固體介質(zhì)材料的介電常數(shù)

ε——空氣的介電常數(shù)

Vs——絕緣支撐中固體介質(zhì)材料的體積

Vt——絕緣支撐的總體積

假設(shè)空氣介電常數(shù)ε=1，則上式可以表示為:

式中，Vi——絕緣支撐被挖空部分的體積。

圖6 低介電常數(shù)絕緣支撐結(jié)構(gòu)示意

本產(chǎn)品采用的低介電常數(shù)絕緣支撐的結(jié)構(gòu)形式如圖6所示。

同時，對內(nèi)導(dǎo)體、絕緣支撐進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(見圖7)，以利于用精密模具模壓成型，以保證同軸度。

圖7 內(nèi)導(dǎo)體、絕緣支撐進(jìn)行一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.4 內(nèi)導(dǎo)體彈性件設(shè)計

內(nèi)導(dǎo)體彈性結(jié)構(gòu)件很小，是微精零件，加工精度達(dá)μ級和亞μ級。

本項(xiàng)目連接器的插孔采用以下結(jié)構(gòu)形式(見圖8)，對于插孔來說要求接觸面積大，接觸壓力小。

圖8 插孔接觸件

但是，開槽插孔有個缺點(diǎn)，這就是:

①與插針插配時，它的尺寸精度受插針尺寸精度的影響，插配后尺寸往往增大而使性能變壞;

②開槽還會引起出下式確定的阻抗誤差:

式中，N為開槽數(shù)，W為槽寬，d為外徑。

本產(chǎn)品的彈性內(nèi)導(dǎo)體采用兩槽式結(jié)構(gòu)，特點(diǎn)是加工難度較小，可以保證內(nèi)導(dǎo)體的尺寸、形位公差和表面精度。同時，根據(jù)以上公式對開槽尺寸進(jìn)行計算，以研究其寬度對產(chǎn)品阻抗的影響。

3.5 110GHz射頻連接器的仿真優(yōu)化

均勻介質(zhì)(固體介質(zhì)和空氣介質(zhì)等)支撐部分內(nèi)、外導(dǎo)體的直徑通過理論公式可以比較精確地計算得到，但在內(nèi)、外導(dǎo)體直徑尺寸突變處，理論公式僅僅可以計算出參考尺寸。為了保證產(chǎn)品的設(shè)計質(zhì)量，提高效率，完成設(shè)計草圖后，充分利用Ansoft公司的HFSS高頻電磁場設(shè)計仿真軟件，對其進(jìn)行電磁場仿真。

先在軟件中建模，見圖9。

圖9 HFSS軟件中110GHz連接器模型

模型中，把絕緣支撐共面高抗補(bǔ)償部分的徑向和軸向尺寸均設(shè)為變量，設(shè)置好各參數(shù)后，對連接器進(jìn)行仿真，得到VSWR和阻抗曲線見圖10、圖11。

然后從中選取VSWR和阻抗參數(shù)均較好、相鄰曲線不敏感及其參數(shù)較好的一條，選取補(bǔ)償變量值作為設(shè)計尺寸(見圖12、圖13)。

圖10 VSWR曲線

圖11 阻抗曲線

圖12 VSWR曲線

圖13 阻抗曲線

試制時，再對試驗(yàn)樣品進(jìn)行反復(fù)測試驗(yàn)證，取得實(shí)測數(shù)據(jù)，以獲得優(yōu)化設(shè)計方案，完成產(chǎn)品的最優(yōu)設(shè)計。

4 結(jié)論

本文通過理論計算及研究，完成介質(zhì)支撐、內(nèi)導(dǎo)體彈性件以及整體結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真，并形成連接器樣品，經(jīng)測試，產(chǎn)品全部符合技術(shù)指標(biāo)要求。該連接器的設(shè)計開發(fā)，為以后其它毫米波產(chǎn)品的開發(fā)奠定了基礎(chǔ)。

［1］ 黎安饒.微波技術(shù)基礎(chǔ)［M］，成都:電子科技大學(xué)出版社，1998.

［2］ 鄭兆翁.同軸式TEM模通用無源器件，［M］北京:人民郵電出版社，1983.