一種毫米波密封轉接器的研制

王榕欣，張清莉

(陜西華達科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 前言

射頻同軸連接器是射頻同軸傳輸系統的主要組成部分，是傳輸信號的關鍵元件，它的重要功能是有效的傳輸射頻電磁能量。射頻同軸連接器廣泛地應用于微波通訊、航天航海、武器系統等領域中的天線、通信系統、射頻發射或射頻接收系統中，而且在高速數據傳輸設備中應用越來越廣泛，作用也越來越重要。

密封轉接器是射頻同軸連接器的一種，是進行密封艙內外數據傳輸的橋梁。產品除要求有優異的電性能外，還應具有良好的密封性能，這樣才能保證艙內環境的安全。最常見的是SMA型、N型、TNC型密封轉接器。隨著我國航空航天工程的飛速發展，整機系統的頻率不斷提高，在很多場合，需要應用毫米波密封轉接器。因此研制生產毫米波密封轉接器(2.92型、3.5型、2.4型)已迫在眉睫。

2 產品主要技術指標

特性阻抗：50 Ω；

頻率范圍：DC～40 GHz；

VSWR： ≤1.4；

絕緣電阻：≥5000 MΩ；

介質耐壓： 750 V；

溫度范圍： -65℃～+165℃；

漏率： ≤1X10-3Pa.cm3/s。

3 結構設計

3.1 常用毫米波轉接器的結構

以2.92型毫米波轉接器為例，常見結構如下：

圖1 毫米波轉接器結構圖

毫米波轉接器一般采用空氣同軸式結構，這樣可以提高轉接器的使用頻率。為了固定內導體，常常使用介質絕緣子作為支撐。但是介質支撐的引入會影響到產品的電壓駐波比，為了降低介質支撐所帶來的影響，通常采用挖空介質支撐的方法來降低介質支撐的介電常數，同時兩個介質支撐之間的距離A必須達到相當大的值，當A≥2D時，它們之間的相互影響十分微弱；當A≥3D以上時，相互影響可忽略不計。對于單個轉接器來說，介質支撐必須離開基準面要有1～1.5倍D的距離。

3.2 毫米波密封轉接器的結構設計

3.2.1 產品的基本結構

為了保證產品密封，必須在轉接器內部引入密封段。一般密封段位于產品的中部，結構可做成單獨的玻璃絕緣子與外導體焊接，或者采用內外導體一體燒結的形式。然后在玻璃絕緣子兩端根據轉接器的類型焊接上插針或插孔，考慮到僅依靠中心導體直接支撐插針或插孔，可靠性和壽命都不能滿足使用要求，在轉接器兩側又各引入了一段介質支撐。這樣，密封轉接器內部就有了三段介質支撐。見圖2所示。

圖2 毫米波密封轉接器結構圖

3.2.2 關鍵尺寸的確定

3.2.2.1 內外導體直徑的確定

由于2.92型射頻同軸連接器的內、外導體尺寸在國際標準中已確定，d1=Φ1.27mm，D1=Φ2.92mm，因此本產品的關鍵是要確定玻璃燒結段內外導體的直徑(d2和D2)。

射頻同軸連接器一般只傳輸TEM波，在同軸線中還存在著多種色散的高次模式，這些色散模式中截止波長最大的是H11模式，為保證同軸線中單一模式的傳輸，只要使H11模式截止，其余的所有高次模式就全部截止了。根據微波理論，同軸線的截止頻率為：

(1)

式中，C0為光速， D、d分別為同軸線外導體內徑和內導體外徑，εr為介質的相對介電常數。由于產品要用到40GHz，玻璃粉介電常數一般約等于4，根據上式可計算出玻璃燒結段內外導體直徑和：D2+d2=2.38mm。

由于本產品為50Ω的阻抗。阻抗公式如下：

(2)

式中，D-外導體內徑 ，d-內導體外徑，εr- 介質相對介電常數。根據D2+d2=2.38mm和公式(2)可計算出：D2=Φ2mm，d2=Φ0.38mm。

3.2.2.2 介質支撐厚度的確定[1]

(3)

式中，B為介質支撐的厚度，εr為絕緣子的相對介電常數；f為工作頻率；fc為截止頻率；λg為同軸線的工作波長。

通過上式計算，可以確定介質支撐的厚度。

3.2.3 過渡段的結構設計

為保證產品50Ω阻抗一致性，外導體內徑尺寸將隨著內導體外徑尺寸的改變而改變。2.92型產品內導體直徑d1為Φ1.27mm，而玻璃燒結段內導體直徑d2僅為Φ0.38mm，如此大的直徑突變必將引起較大反射，對產品電壓駐波比的影響很大。在微波波段，截面不同的同軸線所引起的反射較大，改變不連續段附近的部分結構，可以在相當寬的頻率范圍內大大減小其反射，為消除這種直徑突變對電壓駐波比的影響，采取了圖3所示的結構，對臺階處采取錯位補償的方法，將內外導體階梯面錯開位置，使其有一定距離，構成了一段電感，以補償臺階引起的不連續電容，如圖4所示。

圖3 突變截面恰當的補償形式(錯位補償)

圖4 錯位補償等效低通網絡

另外，為了避免內外導體直徑突變過大，建議采用多臺階設計方案，逐步遞進的設計方式可達到更好的效果，見圖5。

圖5 過渡段結構圖

3.2.4 可靠性設計

隨著我國航天航空事業的不斷發展，對于連接器的穩定性和可靠性的要求也越來越高，因此建議產品盡可能采用內、外導體整體燒結來達到密封效果，此結構具有以下三個優點：

① 外導體為一整體結構，避免了一些連接器外導體采用分體結構因外導體連接處失效而導致連接器失效的隱患。目前一些連接器由于受到結構和加工的限制，外導體采用分體結構，外導體之間的連接采用收鉚或螺紋連接，產品在受到較大扭矩或拉力時，常出現外導體連接處松動甚至解體的狀況，因此為了保證連接器使用的可靠性，連接器的外導體應盡可能的采用一體的結構形式。

② 整體燒結結構環境適應性強，尤其是在一些高低溫迅速變化的環境中，采用玻珠焊接的分體結構在焊接處易出現密封失效的現象，可靠性差，整體燒結則避免了上述隱患。我們在對這種新研制的整體燒結的轉接器進行了-65℃～+165℃溫度沖擊試驗，先后共兩百多只產品進行了此項試驗，沒有一只產品出現密封失效，可見整體燒結結構的產品具有更高的可靠性。

③ 整體外導體屏蔽性能好，抗電磁干擾能力更強。

4 產品的關鍵點

4.1 整體玻璃燒結技術

整體燒結的結構中，玻璃體位于外殼的中段，兩端外導體孔為深長孔，燒結時模具難以定位，燒結處質量難以保證，這些都會使產品的設計尺寸發生變化，產生很多不確定因素，嚴重影響產品的裝配及電性能的實現。

通過不斷努力，我們解決了整體燒結的結構中：玻璃厚薄不一致、玻璃沿外殼內表面爬升、內外導體同心度差等燒結缺陷，采用特殊的工藝手段保證了燒結后玻璃面的平整度。

4.2 轉接器界面尺寸保證

2.92型密封射頻轉接器工作頻率達40GHz，對零件的表面粗糙度，各零件的同軸度、垂直度等都有苛刻的要求。特別是對于產品的界面(如圖6所示)，其加工質量的好壞將會影響到產品的電壓駐波比、射頻泄漏、頭座插合等。為此采取以下措施：

① 提高零件的加工精度，將尺寸公差對產品電壓駐波比的影響降到最低程度。

② 由于連接器插合后界面處外導體緊密接觸，內導體之間的留有間隙，間隙的存在會影響到產品的電壓駐波比，因此在連接器設計生產中應盡量減少內導體之間的間隙。GJB5246《射頻連接器界面》中規定：內導體低于機械和電氣基準面0.1mm以內(見下圖)，為提高產品的性能，我們通過提高零件的加工精度和采用精密裝配工藝，將內導體低于機械和電氣基準面的尺寸控制在0.05mm以內，盡可能降低基準面處內導體之間的間隙對產品性能的影響。

③ 對于各個零件，尤其是機械和電氣基準面處的同軸度、垂直度及表面粗糙度均有嚴格的要求，同時外導體界面插合處增加凹槽設計(見圖6)，以保證轉接器外導體接觸緊密，保證了產品的電壓駐波比、頭座插合及射頻泄漏指標。

圖6 轉接器界面示意圖

5 測試結果

以2.92型密封轉接器為例，對產品的關鍵指標：電壓駐波比、氣密封按GJB681A的要求進行了測試，均滿足要求，電壓駐波比測試曲線見圖7。

圖7 2.92型密封轉接器測試圖

6 結束語

以上即是對毫米波密封轉接器的設計原理和基本結構的探討。目前，我公司已開發了毫米波密封轉接器具有體積小、重量輕、頻率高、低電壓駐波比、高可靠性等特點，已廣泛應用于航空、航天等許多領域，深受用戶的歡迎及好評。