同軸連接器結構偏心問題探究

(中國電子科技集團公司第四十一研究所，山東青島，266555)

1 引言

空氣型同軸連接器是一種通用的微波元件，用于不同微波器件之間的互聯。隨著微波技術的發展，空氣型同軸連接器的工作頻率不斷提高。常用的工作頻率達到20GHz以上的空氣型同軸連接器，有3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm和1mm等幾種類型。隨著頻率的升高，同軸連接器的界面尺寸越來越小，生產難度也越來越大。

目前，關于同軸連接器的研究，主要集中在整體設計和可靠性方面。事實上，隨著界面尺寸減小，內、外導體偏心對連接器性能的影響也越來越嚴重。內、外導體偏心，會引起特性阻抗的變化，產生較大反射，易激發高次模，在互聯過程中，還會使內導體插孔傾斜，造成內導體不能很好的接觸或破壞同軸結構性質[1]。

本文在理論分析的基礎上，重點研究了空氣型同軸連接器的內、外導體偏心問題。

2 理論分析

在理想狀態下，均勻的空氣同軸傳輸線的特性阻抗為[2]：

(1)

其中，b為外導體內半徑，a為內導體外半徑，ε0為空氣的相對介電常數，且ε0≈1[2]。

圖1 連接器截面的偏心示意圖

實際上，內外導體的中心不可避免的存在一定偏差，如圖1所示。內外導體不同心所引起的特性阻抗偏差為[1][3]：

(2)

其中，e為內、外導體軸心的偏心大小；對于空氣型同軸連接器，填充介質為空氣，則ε0≈1[2]；若不考慮加工誤差，對于特定類型的同軸連接器，a、b參數是一定的(不同類型連接器的內、外導體尺寸，見表1)，可視為同軸連接器的固有參數。這里可以引入偏心敏感度因子Δτ的概念，其中：

(3)

對于特定類型的空氣型同軸連接器，其偏心敏感度因子Δτ是一定的，僅與連接器的界面尺寸有關。

根據公式(3)，可以計算出不同類型的空氣型同軸連接器相對于偏心的敏感度因子Δτ。表1給出不同類型的空氣型同軸連接器所對應的偏心敏感度因子，不難發現，隨著頻率提高，界面尺寸變小，偏心大小對同軸連接器的阻抗變化的影響越來越敏感，同樣大小的偏心，高頻段連接器的阻抗變化要大的多。因此，對于高頻段的連接器，對其同心度提出了更高的要求。

表1 不同類型連接器的截面尺寸和敏感度因子

根據式(2)、(3)，偏心大小所引起的特性阻抗的變化關系，可表示為：

(4)

由公式(4)，在已知同軸連接器的阻抗要求條件下，可計算得到所允許的偏心大小。一般情況下，希望偏心所引起的阻抗變化，不超過理論值1%，表2給出了阻抗變化1%時，不同類型的同軸連接器所允許的最大偏差。可見，對于工作帶寬越大、界面尺寸越小的同軸連接器，在特定的阻抗變化條件下，所允許的最大偏心也越小。

表2 不同類型連接器阻抗誤差1%所允許的最大偏心

3 偏心產生的原因

理論上，內、外導體通過絕緣子的固定，保持同心狀態，但實際上，各零件的加工和裝配誤差是不可避免的。內、外導體的軸線上的同軸偏差，絕緣子內孔和外圓的同軸偏差，都可能引起內、外導體不同心。加工誤差主要由工藝水平和機床精度來保證，本文不再贅述。

對于裝配誤差，內導體和絕緣子之間的裝配，極易引起偏心。實際上，總是希望內導體直徑等于或略大于絕緣子內孔直徑。但絕緣子一般采用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等材料[3][4]，可加工性較差，且強度、耐熱性也遠差于金屬材料，因此絕緣子的內孔直徑不易控制，內導體和絕緣子之間極易存在裝配間隙。本節重點分析內導體和絕緣子之間的裝配間隙對偏心的影響。

3.1 內導體和絕緣子的裝配誤差

如圖2所示，絕緣子的內孔直徑D、內導體直徑d，理論上大小相同，若因誤差使得D>d，則兩者之間存在裝配間隙，即會引起內導體傾斜，內導體與理想軸線存在切斜角θ。實際上，連接器的長度尺寸，一般是直徑D的幾倍甚至十幾倍，這樣，在遠離絕緣子的位置，內、外導體偏心存在放大效應，極小的傾斜角θ，在遠離絕緣子位置，就可能產生較為嚴重的偏心。

圖2 絕緣子和內導體裝配間隙產生的偏心

根據幾何理論，不難得出以下公式：

d′·cosθ=d

(5)

L·tanθ=D-d′

(6)

Δe=Lx·sinθ

(7)

其中，Lx為接觸中心位置距內導體端面距離，Δe為裝配間隙引起的偏心大小，L為絕緣子和內導體的配合長度。

(8)

設絕緣子和內導體為配合間隙為Δt，即

Δt=D-d

(9)

根據公式(7)(8)(9)，可計算得到傾斜角θ和偏心Δe，與長度L、間隙Δt的關系。

以1.85mm連接器為例，其內導體外徑d=0.804mm(見表1)，實際使用中長度Lx一般不能太小，本文取Lx=5mm，則傾斜角θ與長度L、間隙Δt的對應關系如圖4所示，偏心Δe與長度L、間隙Δt關系如圖5所示。不難發現，配合長度L一定時，偏心Δe與間隙Δt正相關，即配合間隙越大，偏心越嚴重；配合間隙Δt一定時，偏心Δe與長度L負相關，即絕緣子和內導體的配合長度越大，偏心越小。

圖3 傾斜角θ與厚度L、間隙Δt的對應關系圖

圖4 偏心Δe厚度L、間隙Δt關系圖

3.2 改進措施

綜合上述分析，絕緣子的內孔直徑D、內導體直徑d，是影響同軸連接器偏心與否的關鍵尺寸。通過提高工藝水平，控制兩者的精度，使其為輕微的過盈配合，是減小內、外導體偏心的關鍵。另外，在結構上，還可以采取以下措施，減小絕緣子和內導體的裝配誤差對內、外導體偏心的影響：

(1)增加絕緣子和內導體的配合長度L

絕緣子的設計中，一般不希望絕緣子過大而引起的較大的不連續性。可采用圖5結構，在不增加或者少增加絕緣子的重量的情況下，盡可能增大絕緣子與內導體的配合長度L。

(2)采用雙絕緣子的支撐結構

如圖6所示，采用雙絕緣子結構，也可以理解為增加了絕緣子和內導體的配合長度L。該結構可以較好的保證內、外導體同心，但兩處不連續結構對同軸連接器整體指標有較大影響影響，需要在設計中綜合考慮。

圖5 絕緣子部分加寬結構

圖6 雙絕緣子結構

4 總結

本文重點分析了同軸連接器的偏心問題，得出以下結論：

(1)不同類型的連接器，隨著頻率提高、截面尺寸變小，偏心對阻抗變化影響越來越大；(2)給出了阻抗變化1%時，不同類型同軸連接器所允許的最大偏心；(3)給出了絕緣子和內導體的裝配間隙引起偏心大小的計算方法，偏心大小與絕緣子和內導體的配合間隙正相關，與絕緣子和導體的配合長度負相關。

上述結論對空氣型連接器的設計、零件加工及檢驗，尤其對解決同軸連接器的內、外導體偏心問題，具有一定的指導意義。