145GHz同軸連接器的設計與實現

趙建波，劉長春，許曉龍

（中國電子科技集團公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010）

1 引言

射頻同軸連接器是一種應用廣泛的微波毫米波器件，相對于波導連接器而言，同軸連接器具有頻帶寬、體積小、重量輕、價格便宜等優點，在國防軍工、儀器儀表、移動通信等領域具有廣泛的應用。

145GHz同軸連接器頻帶寬，其頻率上限已經進入THz領域，THz波束寬，容易對準，天線系統可以實現小型化、平面化，降低了對準所需要的精度和難度，在遙感和遙測、毫米波雷達、電子偵察、精確制導、星間通信、亞毫米波空間探測與環境監測、測試測量儀器等方面具有廣闊的需求背景，是下一代通信的發展方向?，F有的同軸連接器產品最高頻率只能覆蓋到110GHz，無法滿足各行業對于THz同軸連接器的需求，因此開展145GHz精密同軸連接器的設計研究具有重要意義。

2 設計目標

145GHz同軸連接器的設計目標如表1所示。

表1 145GHz同軸連接器的設計目標

3 同軸連接器設計

3.1 145GHz同軸連接器的設計難點

本次設計的連接器最高頻率高達145GHz，連接器的電性能指標對阻抗不連續的變化異常敏感，對零件的尺寸精度要求高，在如此寬的頻帶內實現阻抗匹配的難度非常大。同時，為了支撐和固定內導體，145GHz同軸連接器在設計時同樣需要引入介質支撐，介質支撐的引入會導致傳輸線變得不均勻，如果設計不當，會產生嚴重的反射，甚至會激發出高次模，導致設計失敗。因此，如何在超高頻帶內實現傳輸線的精確設計是145GHz同軸連接器的關鍵所在，難點總結如下：

難點1：頻帶寬，工作頻率高達145GHz，實現整個頻段內阻抗匹配難度大。

難點2：介質支撐不僅要有足夠的強度，還必須進行合理的補償結構設計，在超寬帶頻率范圍內盡量較小反射，設計難度大。

難點3：工作頻段高，對零件精度要求高，在兼顧微波性能和成本的前提下，容差設計計算量大，設計難度高。

3.2 介質支撐設計

介質支撐是145GHz同軸連接器的核心部件，在設計時需要遵循以下幾個原則：保證電性能的前提下必須有足夠的強度；介質支撐的材料介電常數要盡可能的小；介質支撐的結構必須具有良好的可加工性。

在介質支撐介入位置會引發阻抗的不連續，相當于在此位置引入了一個不連續電容，工程上常用的方法通過共面補償進行消除，同時為降低介質支撐的等效介電常數，保證連接器的帶寬，需要在介質撐端面進行周期性打孔處理。

圖1 介質支撐回波損耗仿真曲線

本次設計我們采用介電常數較小的工程塑料來設計介質支撐。通過軟件仿真來優化介質支撐的各尺寸，從而將不連續電容降到最低，保證介質支撐在整個頻段內盡量匹配。介質支撐的仿真結果如圖2、圖3所示，通過仿真優化，介質支撐的回波損耗在－40dB以下。

3.3 開槽內導體設計

為了保證同軸連接器的陰陽內導體接觸良好，陰頭內導體上一般需要設計彈性結構，常用的結構主要有開槽結構和陰頭內導體內嵌彈簧爪結構。145GHz同軸連接器的直徑僅有0.348mm，內嵌彈簧爪結構無法實現，因此陰頭內導體采用開槽結構。綜合考慮現有的加工手段和加工難度，將陰頭內導體設計為雙槽結構，如圖2所示。在HFSS中建立仿真模型，雙槽結構對回波的影響如圖3所示，從圖中可以看出，雙槽結構對回波損耗影響較小，在可接受的范圍內。

圖2 雙槽結構示意圖

圖3 開雙槽結構仿真曲線

3.4 內導體的間隙控制技術

同軸連接器互連時，理論上互連的陰陽連接器的內導體之間應該沒有間隙存在，即G＝0mm。事實上，理想狀態是無法實現的，為了保證互連時連接器內導體不會損壞被測件，內導體端面與電氣基準面之間通常設計一個很小的負公差，接觸間隙的存在，使連接端口的特征阻抗匹配惡化，增大了連接端口的反射系數，影響測量精度。通常間隙對駐波比的影響可以通過式1進行計算：

式中，S為駐波比；F為頻率；G為空氣間隙寬度；d為內導體外徑；N為開槽數量；w為開槽寬度；dg為插針直徑。

針對不同的間隙和槽寬組合，采用HFSS軟件進行仿真分析，仿真結果如圖4所示。從圖中可以看出，當間隙G＝0.05mm時，回波曲線惡化嚴重，沒有足夠的設計余量，因此要求G＜0.05mm，即內導體端面距離電氣基準面的公差（g）應該控制在－0.025mm～0之間。

圖4 不同間隙的仿真曲線

3.5 同心度控制技術

對于同軸連接器而言，橫截面上中心導體相對于外導體的同心度偏差是一個很重要的指標，同心度偏差會引起連接器特性阻抗的變化。設e為中心內導體和外導體內孔中心軸線的同心度偏差，如圖5所示，內外導體同心度e引起的特性阻抗偏差為：

圖5 傳輸線偏心示意圖

在通常情況下，引發同心度偏差的原因，一方面是由于內外導體的形狀偏差和裝配偏差引起的，另一方面是由于介質支撐的介入引起的。安裝介質支撐的臺階結構，在實際加工過程中，由于刀尖的磨損，在臺階根部并不是標準的直角，而是會產生一個微小的過渡圓角。根部圓角的大小與內導體臺階高度接近，會導致阻抗補償設計失敗，還會引起內外導體同心度惡化。

因此，在設計時不僅要嚴格控制零件的尺寸和形狀誤差，加工過程中也要對內導體的根部圓角進行動態監控，保證內導體的臺階根部圓角在可接受的范圍內。

4 實測結果

在DC～110GHz頻段內，通過搭建110GHz同軸測試平臺測試，在110GHz～145GHz頻段內，通過110GHz～170GHz太赫茲測試系統進行測試。在DC～110GHz頻段內，回波損耗22dB，插入損耗0.28dB，在110GHz～145GHz頻段內，回波損耗18.9dB，插入損耗0.36dB，滿足表1中連接器的設計目標。具體測試曲線如圖6和圖7所示。

圖6 DC～110GHz頻段測試曲線

圖7 110GHz～145GHz頻段測試曲線

5 結論

本文通過理論計算和仿真方法，分析了介質支撐、內導體開槽、內導體間隙以及內導體根部圓角對145GHz同軸連接器傳輸線的影響，在此基礎上設計完成145GHz同軸連接器。如圖8、圖9所示。連接器經實測，回波損耗小于15dB，插入損耗小于0.6dB，滿足設計目標，證明理論和放著相結合的設計方法的有效性，值得其他高頻產品設計時進行借鑒。同時145GHz同軸連接器的研發為我國THz領域產品的開發打下了良好的基礎。

圖8 145GHz同軸連接器實物

圖9 太赫茲測試系統