110GHz毫米波同軸轉微帶氣密封連接器的設計

王學習，曹永軍

(中航光電科技股份有限公司，河南洛陽，471000)

1 引言

110GHz毫米波同軸轉微帶氣密封連接器主要用于毫米波微波系統(tǒng)的屏蔽模塊或組件，負責內外部射頻信號的轉接、轉換傳輸。微帶連接器采用法蘭盤安裝，通過連接器主體與氣密封轉接部件的端面連接組合，實現(xiàn)屏蔽模塊或組件內部微帶傳輸線與外部同軸傳輸線之間的匹配轉換連接，同時實現(xiàn)微帶盒腔體內外的氣密封功能。該連接器具有工作頻率高、射頻性能優(yōu)越、體積小、重量輕、易于安裝等特點，更易于實現(xiàn)裝備的小型化、輕量化。

據(jù)了解，國外一些射頻連接器公司已經掌握了110GHz氣密封微帶連接器的設計和制造技術，但在市場上找不到相關產品。我司于2018年開始研制具有氣密封性能的110GHz毫米波同軸連接器，目前連接器已通過鑒定試驗。產品性能達到國外先進廠家的同等水平，氣密封性能優(yōu)異。本文結合110GHz毫米波同軸轉微帶連接器(以下簡稱連接器)產品的相關研制經驗，主要從性能指標要求、設計方案、參數(shù)設計、氣密封專題、測試方法和測試結論等方面進行論述。

2 主要性能指標

連接器的主要技術指標見表1所示。

表1 連接器的主要技術指標

3 設計方案

在電連接器領域，通常的密封方式包括：灌膠密封、O型圈密封和玻璃燒結密封等。其中，粘接劑、密封膠、O型圈等介質的引入，必將加劇連接器阻抗的不連續(xù)性，而且是不確定的。玻璃燒結類密封連接器因其具有機械強度高、耐高溫、良好的密封性等優(yōu)點，使其在各類民用、軍用、航空、航天、戰(zhàn)略戰(zhàn)術武器等領域的電子系統(tǒng)中得到廣泛應用。玻璃燒結是指加熱無機玻璃，使其與預先氧化的金屬或合金表面達到良好的浸潤而緊密地結合在一起，隨后玻璃和金屬冷卻到室溫時，玻璃和金屬仍能牢固地封接組合成為一個整體。

本項目研制的連接器需要保證良好的氣密封性能，又要實現(xiàn)110GHz毫米波信號的傳輸，這對傳輸通道阻抗的均勻性和穩(wěn)定性提出較高要求。在研制初期，試制了灌膠結構方案(如圖1所示)。該方案采用353ND膠實現(xiàn)內外導體與絕緣子的膠粘固定，采用O型圈實現(xiàn)方盤端面與安裝面板之間的密封。經測試得到結論：氣體漏率測試僅可達到1×10-6Pa·m3/s，且合格率較低；電壓駐波比大于2.5，射頻插入損耗大于1.8dB，且均不穩(wěn)定。后更改為圖2所示的方案，該方案采用了局部模塊化的設計思想，連接器主體為1.0系列標準界面，實現(xiàn)與適配連接器的機械與電氣連接、分離；氣密封轉接部件實現(xiàn)毫米波信號由同軸結構到微帶結構的轉換傳輸，同時與安裝面板焊接，實現(xiàn)安裝面板內外之間的氣密封性能。

圖1 膠粘結構方案示意圖 圖2 玻璃封接方案示意圖

產品的安裝方式如圖3所示，用戶需將氣密封轉接部件與面板焊接安裝后，再通過螺釘將連接器主體與面板固定。

圖3 連接器安裝示意圖

4 關鍵性能設計

4.1 結構及關鍵參數(shù)設計

連接器工作頻率達110GHz，接近空氣介質傳輸線的理論上限(截止頻率為135.7GHz)，所以只可采用空氣介質，而且對零件的公差要求較高，需達到微米級。參考IEC 61669-31規(guī)定的界面尺寸，連接器零件的尺寸公差需控制在±3 um以內，對應傳輸通道的阻抗波動不超過±1Ω(特性阻抗50Ω)。

絕緣支撐采用介質打孔的混合介質形式，端面采用共面補償結構，降低不連續(xù)電容的影響，見圖4。連接器主體和氣密封轉接部件連接處的阻抗不連續(xù)性采用了錯位方式的高阻補償結構(見圖5)。設計原理：傳輸通道直徑尺寸的突變引入不連續(xù)電容，為了補償此不連續(xù)電容，需將局部阻抗設計為高于相鄰段的特性阻抗，在等效電路上相當于加入一串聯(lián)電感，補償不連續(xù)電容，實現(xiàn)阻抗匹配。

圖4 共面補償結構圖

圖5 高阻補償結構圖

結構設計和電性能設計同時兼顧進行，過程中需計算的關鍵參數(shù)有：介質的相對介電常數(shù)、截止頻率、絕緣支撐厚度、補償尺寸、介質耐電壓、絕緣電阻等。這些內容有相關成熟的設計參考，在這里不做介紹。

4.2 高頻性能仿真設計

通過理論設計，結合仿真軟件的輔助優(yōu)化，驗證、提高毫米波射頻同軸連接器的關鍵射頻性能，降低設計成本和設計周期。仿真時先進行原理仿真，將優(yōu)化確定的結果作為模型修正的依據(jù)，完成鏈路仿真驗證。為保證仿真模型與設計模型的一致性，通過Creo與HFSS的軟件數(shù)據(jù)接口，導入實物模型。圖6所示為待測連接器與適配測試夾具的仿真鏈路模型圖，圖7所示為插頭連接器的射頻性能鏈路仿真結果。通過仿真優(yōu)化，仿真模型在DC～110GHz時的電壓駐波比不大于1.13，插損不大于0.52dB。

圖6 鏈路仿真模型

(a)電壓駐波比仿真結果

5 玻璃封接工藝技術

氣密封轉接部件實現(xiàn)從同軸傳輸線向微帶線轉換和轉接的作用，綜合考慮最高傳輸頻率和制造性，方案確定氣密封轉接部件的中心導體直徑為Φ0.128mm，外導體內徑為Φ0.863mm。考慮到玻璃與金屬材料熔融溫度、熱脹冷縮膨脹率等影響因素，殼體和插針材料選用4J29合金，玻璃絕緣子選用7070。

產品工作頻率高，對玻璃封接后的端面質量、內部氣泡數(shù)量提出了非常高的要求。為了保證玻璃燒結端面的平整度和內部介質的均勻性，采取了以下措施：

①玻璃粉重的控制。粉重決定了燒結成品的玻璃絕緣子填充率及端面形狀，理論計算出的玻璃粉重為2mg±0.05mg，據(jù)此分別制造了幾種規(guī)格重量的樣件，再通過試制摸索，確定最合適的粉重為1.95mg。稱重時采用十萬分之一精度的天平，保證玻璃粉重的精確性。

②模具設計。由于石墨具有與玻璃不浸潤、熔點高、易加工等特點，玻璃燒結產品在工藝實現(xiàn)過程中多采用石墨作為模具材料。圖8所示為氣密封轉接部件燒結的專用模具，模具通過上模保證部件內外導體的徑向同軸度，通過下模內孔深度保證內導體相對端面的尺寸；同時依靠上模和配重的自身重力施加軸向壓力，保證玻璃端面與殼體端面在同一平面。

圖8 氣密封轉接部件燒結石墨模具

③燒結前零件采用超聲波清洗、烘干，并密封保存，過程中應避免引入雜質。

④石墨模具的預凈化處理。由于石墨孔隙率高，在加工、貯存過程中容易吸附各種雜質、氣體，尤其是潮氣。在使用前處理不徹底，在燒結時，這些氣體與玻璃共溶，冷卻后形成表層氣泡。石墨模具加工后使用壓縮氣體吹凈其表面雜質，并采用超聲波清洗，處理干凈的模具烘干后需密閉保存。

⑤摸索燒結溫度、鏈式爐的傳送速度，燒結過程在氮氣氛圍中進行。

通過控制以上關鍵工序，實現(xiàn)微型轉接部件的燒制。圖9(a)為采用7070玻璃管燒制的部件在電鍍前的狀態(tài)，可以看出玻璃端面平整光滑，內部基本無氣泡，圖9(b)為部件電鍍后的外觀。通過后續(xù)的測試證明，此種狀態(tài)的氣密封轉接部件具有較為穩(wěn)定的特性阻抗，有利于鏈路匹配。

(a) 電鍍前 (b) 電鍍后

6 性能測試

6.1 射頻性能測試

如何準確地測試頻率達到110GHz時的射頻性能，成為測試環(huán)節(jié)的關鍵。為此，我們設計了與連接器結構完全對稱的專用測試工裝(如圖10所示)串接在氣密封部件后端，通過螺釘進行固定。這樣構建測試鏈路兩端均為標準接口，可以直接連接到矢量網絡分析儀的測試端口上。測試連接圖見圖11所示，本次測試采用的是德科技的110GHz擴頻系統(tǒng)。圖12為連接器的電壓駐波比、射頻插入損耗的測試結果。從測試結果中可以看出：在50MHz～110GHz時，測試鏈路的電壓駐波比小于1.4，射頻插入損耗小于1dB(含工裝)。

圖10 插頭連接器測試連接示意圖

圖11 射頻性能測試連接圖及測試結果

6.2 氣密封性能測試

氣密封轉接部件(見圖12)尺寸小，重量輕，采用氦質譜檢漏儀(見圖14)直接測試時很難保證待測產品與測試基座的密封性，同時產品在抽壓過程中極易被吸入儀器內部，引發(fā)設備故障。

圖12 氣密封轉接部件

(a)結構圖

圖14 氣密封測試狀態(tài)圖

為此，我們設計了專用的測試工裝(見圖13所示)。工裝的上下部分(圖13a的殼體1和殼體2)將氣密封部件固定在中間，并采用O型圈實現(xiàn)部件與工裝的密封性。工裝下端(殼體2)與測試基座的膠墊通氣孔相連，在測試時涂適量潤滑脂，可以讓工裝達到更好的氣密性。經實測，工裝的氣體漏率可達6×10-12Pa·m3/s，產品的漏率為4.6×10-11Pa·m3/s，滿足測試精度的要求。

連接器通過測試檢驗和全項目試驗，設計方案滿足高頻性能傳輸和氣密封性能要求，主要的技術指標實測值見表2所示。

表2 主要技術指標及使用性能符合性對照表

7 結語

通過毫米波同軸轉微帶連接器的結構設計及氣密封設計，掌握了具有氣密封使用要求的110GHz毫米波同軸轉微帶連接器的設計方法及仿真手段，提升了微精零部件的加工及電鍍工藝能力，突破并掌握了微型氣密封轉接部件的玻璃封接工藝，提高玻璃封接核心工藝能力建設水平，實現(xiàn)連接器核心玻璃封接部件的自主可控。產品通過了軍用電子元器件廣州檢測中心的第三方檢測檢驗，檢測結果全部符合技術指標要求。該連接器的設計開發(fā)，不僅為其他毫米波產品的開發(fā)奠定了基礎，同時對具有氣密封使用要求的高頻同軸連接器的設計提供了技術支撐。