一種N型射頻同軸轉(zhuǎn)接連接器的設(shè)計(jì)

楊宗亮，張守建，陳慶全

(臨沂市海納電子有限公司，山東臨沂，276017)

1 引言

射頻同軸連接器是微波領(lǐng)域中重要的射頻傳輸元件，因其頻帶寬、連接方便可靠、性能優(yōu)越、成本低廉，在微波通信設(shè)備、儀器儀表及武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

根據(jù)用戶需求，需要一種能夠滿足加厚面板結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)接連接器，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)件兩端N型射頻連接器插頭的連接，同時(shí)需要保證性能指標(biāo)滿足技術(shù)要求。

2 研制要求

2.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

用戶需要在一箱體兩端使用N型射頻轉(zhuǎn)接連接器，箱體內(nèi)部設(shè)置有信號(hào)通道(內(nèi)導(dǎo)體穿過(guò)通道，通道作為外導(dǎo)體)，通道長(zhǎng)度大概為60mm，需要根據(jù)連接器設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)確定通道結(jié)構(gòu)及內(nèi)部尺寸，轉(zhuǎn)接連接器要求結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便。

2.2 技術(shù)要求

工作溫度：-65℃～+125℃；

特性阻抗：50Ω；

絕緣電阻：≥5000MΩ；

介質(zhì)耐壓：1500V；

工作頻率：0-3GHz(1.2～1.4)；

電壓駐波比：≤1.15；

工作電壓：1000Vmax；

機(jī)械壽命：500次。

3 設(shè)計(jì)方案

3.1 設(shè)計(jì)原理

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，參照GJB5246-2004《射頻連接器界面》中N系列插孔連接器界面，并根據(jù)特性阻抗的計(jì)算公式進(jìn)行相應(yīng)的尺寸設(shè)計(jì)，保證特性阻抗接近50歐姆，特性阻抗近似公式如下：

(1)

式中，Z0-理想同軸線的特性阻抗；

ε-相對(duì)節(jié)點(diǎn)常數(shù)；

D-外導(dǎo)體內(nèi)徑；

d-內(nèi)導(dǎo)體外徑。

產(chǎn)品設(shè)計(jì)考慮以下要點(diǎn)：

1) 在充分考慮用戶需求的情況下，盡可能采用最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)；

2) 盡量使每一段的阻抗都與特性阻抗相符；

3) 安裝通道結(jié)構(gòu)采用空氣介質(zhì)，減少絕緣介質(zhì)對(duì)傳輸線帶來(lái)的阻抗不連續(xù)性和不穩(wěn)定性；

4) 由于連接器中的絕緣介質(zhì)與接觸件不可避免涉及到安裝臺(tái)階等因素，同時(shí)由于安裝通道的存在，還需要考慮連接器外導(dǎo)體與通道、內(nèi)導(dǎo)體與絕緣介質(zhì)、內(nèi)導(dǎo)體與通道、絕緣介質(zhì)與外導(dǎo)體相互配合而出現(xiàn)的臺(tái)階，需要在臺(tái)階變截面處進(jìn)行阻抗補(bǔ)償，采用常規(guī)的錯(cuò)位補(bǔ)償方法，即預(yù)設(shè)一段錯(cuò)位尺寸△用以消除臺(tái)階造成的阻抗不連續(xù)，錯(cuò)位補(bǔ)償近似計(jì)算公式如下：

(2)

式中，介質(zhì)相同，ε=1，Z0=50Ω，k=3.09；

圖1 錯(cuò)位補(bǔ)償示意圖

5) 由于連接器中絕緣介質(zhì)選擇為聚四氟乙烯，通道中絕緣介質(zhì)為空氣，空氣與聚四氟乙烯的介電常數(shù)不相等，所以在這種復(fù)合介質(zhì)的情況下，阻抗的補(bǔ)償計(jì)算比較復(fù)雜，為了在設(shè)計(jì)上更準(zhǔn)確的進(jìn)行阻抗補(bǔ)償，在初步計(jì)算的基礎(chǔ)上通過(guò)HFSS進(jìn)行建模仿真和計(jì)算，仿真時(shí)設(shè)置變量，不斷調(diào)整和優(yōu)化連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸，根據(jù)仿真結(jié)果最終確定優(yōu)化后的設(shè)計(jì)；

6) 由于N型射頻同軸連接器為參照GJB5246-2004《射頻連接器界面》中N系列插孔連接器界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，連接器的插入損耗可以不作為重點(diǎn)進(jìn)行考慮，因通道需作為外導(dǎo)體，通道的結(jié)構(gòu)及尺寸需要納入設(shè)計(jì)，進(jìn)行仿真分析時(shí)，以電壓駐波比仿真分析結(jié)果為依據(jù)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。

3.2 連接器與通道結(jié)構(gòu)方案

本產(chǎn)品根據(jù)面板安裝使用需求進(jìn)行設(shè)計(jì)，插座為法蘭安裝，在結(jié)構(gòu)件通道兩側(cè)各安裝一只，內(nèi)導(dǎo)體為共用件，穿過(guò)通道腔體分別與兩端插座進(jìn)行安裝。

兩個(gè)轉(zhuǎn)接接口插座通過(guò)安裝法蘭固定在具有導(dǎo)體通道的結(jié)構(gòu)件上，結(jié)構(gòu)件通道兩端界面設(shè)置與安裝法蘭安裝孔對(duì)應(yīng)的螺紋連接孔，通過(guò)螺釘將轉(zhuǎn)接接口插座進(jìn)行固定安裝。中心導(dǎo)體穿過(guò)結(jié)構(gòu)件的通道，與兩端的轉(zhuǎn)接接口插座分別配合安裝，形成一整套轉(zhuǎn)接插座，實(shí)現(xiàn)連接器轉(zhuǎn)接功能，密封圈起到界面安裝密封的作用，保證導(dǎo)體通道內(nèi)部的環(huán)境，防止中心導(dǎo)體的氧化。產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2-圖4所示：

圖2 安裝通道結(jié)構(gòu)示意

圖3 連接器結(jié)構(gòu)示意

圖4 總體結(jié)構(gòu)示意意

4 仿真及優(yōu)化

4.1 連接器建模

通過(guò)計(jì)算，初步確定連接器相關(guān)尺寸，在Autodesk Inventor Professional中建立三維模型，因設(shè)計(jì)方案中，連接器需要安裝在結(jié)構(gòu)件通道兩端后才能構(gòu)成完整的轉(zhuǎn)接連接器，所以三維模型如圖5所示：

圖5 總體結(jié)構(gòu)模型

將N型插孔端面做為阻抗變換段的起始面，并對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)簡(jiǎn)化，將外殼、通道做為一個(gè)完整外導(dǎo)體，以圓形外殼替代，內(nèi)導(dǎo)體材質(zhì)設(shè)定為銅，絕緣介質(zhì)設(shè)為特氟隆，其他部分本來(lái)應(yīng)設(shè)為空氣，但為了優(yōu)化的方便，將其設(shè)為真空，這對(duì)結(jié)果的影響可以忽略不計(jì)，在ANSOFT HFSS中建立簡(jiǎn)化后的三維仿真模型，如圖6所示：

圖6 仿真模型圖

4.2 仿真分析

將兩端連接器界面設(shè)置為50Ω端口，中心頻率1.6GHz，掃描跨度0.5GHz，最大誤差0.02，F(xiàn)ast掃頻方式0.1-3GHz，進(jìn)行初步求解，計(jì)算后選擇顯示電壓駐波比，得到圖7所示的曲線：

圖7 HFSS模擬電壓駐波比曲線

4.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)初步的理論計(jì)算與仿真分析進(jìn)行對(duì)照，得出電壓駐波比偏高，通過(guò)不斷調(diào)整中心導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)、外導(dǎo)體相關(guān)配合尺寸，特別是變徑處的補(bǔ)償尺寸，最終得出優(yōu)化后的電壓駐波比結(jié)果，曲線如圖8所示。

圖8 HFSS模擬優(yōu)化后的電壓駐波比曲線

5 試驗(yàn)驗(yàn)證

按照優(yōu)化后的設(shè)計(jì)進(jìn)行產(chǎn)品生產(chǎn)，對(duì)產(chǎn)品用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行電壓駐波比測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖9所示：測(cè)得截止頻率1.4GHz下，電壓駐波比1.075，小于指標(biāo)要求。

圖9 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀電壓駐波比測(cè)試圖

測(cè)試結(jié)果表明，HFSS仿真結(jié)果對(duì)設(shè)計(jì)優(yōu)化有比較好的指導(dǎo)作用，可大大減少了設(shè)計(jì)過(guò)程中的計(jì)算工作量。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種定制型N型射頻轉(zhuǎn)接連接器，在N型射頻同軸連接器的基礎(chǔ)上，通過(guò)理論分析、計(jì)算，利用HFSS建模仿真，對(duì)連接器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)建模仿真和計(jì)算 ，可以不用生產(chǎn)連接器樣品就能得到設(shè)計(jì)將可能達(dá)到的性能數(shù)據(jù)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化是模型達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率，縮短設(shè)計(jì)周期、節(jié)省了研制成本。最終通過(guò)產(chǎn)品實(shí)物的測(cè)試驗(yàn)證，對(duì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行了最終驗(yàn)證，產(chǎn)品的設(shè)計(jì)滿足用戶的使用要求。