小型化毫米波射頻同軸電纜連接器的設計

周小飛，張鵬飛

(成都四威高科技產業園有限公司，四川成都，611731)

1 前言

隨著微波射頻技術的不斷發展，電子設備對微波射頻類元器件的電學性能和機械性能要求越來越高。其中，對射頻同軸連接器的要求主要體現在更高的使用頻率，優異的電氣性能及小型化。因此，市面上對電氣性能優異、結構小巧的毫米波連接器需求也是越來越大。目前，已有國際標準的毫米波連接器有3.5mm、2.92mm(也叫K或SMK)、2.4mm、1.85mm和1.0mm幾種型號，其中以2.92mm連接器應用最為廣泛，使用頻率可達40GHz，波長為7mm，結構可靠性高，經濟性好。

本文設計了一種結構小型化的2.92mm毫米波電纜連接器的新型結構，在滿足優異性能和小型化的前提下，大大提高了產品生產的簡易性和經濟性。

2 傳統毫米波電纜連接器結構

2.1 傳統通用毫米波電纜連接器結構

傳統通用毫米波電纜連接器結構如下圖1所示。

傳統普通毫米波電纜連接器主要由外殼(1)、內導體(2)、絕緣支撐(3)、介質套(4)、內外殼套(5)、焊接套(6)和鎖緊套(7)組成，其與電纜的裝配實現是通過將焊接套焊接到電纜外導層上，在通過鎖緊套將電纜與電纜連接器連接穩固。

此結構的優點是電學性能較好，接口也為標準的空氣介質端口，但是物理尺寸較長，在一些安裝空間較小的場所則不適用，而且其結構較為復雜，生產成本較高，經濟性較差。因此主要用于對外形尺寸無要求的測試及試驗等場合，使用量較大的工程應用方面應用相對較少，而是采用結構優化后的小型化結構。

圖1 毫米波連接器通用結構

2.2 傳統小型化毫米波電纜連接器結構

傳統小型化毫米波電纜連接器結構如下圖2所示：

圖2 傳統小型化結構

此結構主要由內導體(1)、絕緣支撐(2)、外殼(3)和焊接套(4)組成，其結構特點就是將絕緣支撐前置，大大縮短了外形尺寸，實現了結構的小型化。其與電纜的裝配實現方式如表1所示。

表1 傳統結構裝配實現方式

先將焊接套焊接到電纜外導層上，并進行修剪露出內導線，再使用工裝(焊接補償墊片)將內導體焊接到電纜的內導線上，使用專用工裝(絕緣支撐壓接工裝)將絕緣支撐壓入連接器外殼前端，最后通過焊接套和連接器外殼進行螺紋旋接緊固。

這種結構最大限度縮小了連接器外形尺寸，達到了小型化的要求，但是由于絕緣支撐軸向方向向左無限位結構，所以必須通過軸與孔的緊配合來固定絕緣支撐，這樣的話就必須選擇強度較高的工程材料，不能使用聚四氟乙烯，而一般強度較高的過程塑料其介電常數都較高，必須采用加入空氣介質的方式來降低其綜合介電常數，結構如圖3所示。

圖3 絕緣支撐結構

最終導致其結構相對復雜，必須通過注塑或高端設備來完成加工，在小批量生產時成本較高，且需要依賴專業工裝進行裝配，裝配效率和經濟性較差。

3 新型小型化毫米波電纜連接器結構

為了實現小型化結構，同時提升產品生產裝配的經濟性，設計了一種新型的小型化毫米波電纜連接器，其結構如圖4所示。

圖4 新型結構

主要由內導體(1)、絕緣支撐(2)、外殼(3)和焊接套(4)組成。最大長度尺寸為14mm，基本結構原理還是采用絕緣支撐前置的方式，絕緣支撐采用聚四氟乙烯材料，由于其機械強度不夠，不能使用緊配合的方式進行裝配，為了實現軸向固定，在絕緣支撐增設臺階，同時在外殼和內導體對于位置增設臺階，以實現絕緣支撐的固定，絕緣支撐后端還是采用空氣介質的結構。

3.1 原理設計分析

其原理結構如下圖5所示，已知的是內導體前端插針的直徑(Φ0.9)需要確定的是絕緣支撐處外殼的內直徑(D1)、絕緣支撐后端空氣介質段外殼內孔直接(D2)和內導體外(d2)，以及絕緣支撐前端補償間隙尺寸(T1)和后端臺階補償尺寸(T2)。

圖5 原理結構

①D1尺寸確定：

可知，D1=b=3.0；

②D2及d2尺寸確定：

此尺寸主要作用是與D1形成限位臺階，但同時應保證此空氣段(界面B-B)的最大使用上限頻率：

擬定D2=D1+0.2=3.2

可知，b2=a=1.4；

再由公式

驗證可知，Fmax=40GHz，滿足連接器最大使用頻率。

③L尺寸確定

為了最大限度減小阻抗不匹配型及不產生高次模，絕緣支撐厚度應小于λ/4波長，由公式：

(其中，C0為光速，fmax為最大使用頻率)

可知L≤1.9，為了保證機械強度采用1.9mm；

④T1及T2尺寸確定：

通過HFSS建模仿真優化得出T1和T2尺寸：

T1的仿真優化模型及結果如下圖6所示。由此可見，T1=0.1時，其性能最優。

圖6 T1尺寸仿真優化結

T2的仿真優化模型及結果如下圖7所示。由此可見，T2=0.1時，其性能最優。

圖7 T2尺寸仿真優化結果

3.2 裝配實現方式

其與電纜的裝配實現方式如下表2所示。

先將焊接套焊接到電纜外導層上，并進行修剪露出內導線，再使用工裝(焊接補償墊片)將內導體焊接到電纜的內導線上，再將絕緣支撐套入內導體前端，再一起插入連接器外殼，最后通過焊接套和連接器外殼的螺紋結構進行緊固。

新型結構與傳統結構裝配過程不同之處在于不再需要使用專業工裝對絕緣支撐零件進行裝配，只需要手動套入內導體前端既可，裝配過程更加簡易高效。

表2 新型結構裝配實現方式

3.2 實際性能測試效果

采用上述裝配方式，同批次制作了5根1米長的電纜組件進行測試，配接Gore-CXN3507同軸軟電纜，測試結果如下表3所示。

表3 性能測試結果

21.211.182.63dB31.221.212.67dB41.201.192.63dB51.221.202.71dB

可見，其電學性能十分優異，且批次一致性十分良好，完全滿足任何工程使用需求。

5 結論

研制的新型結構的毫米波電纜連接器不但滿足了小型化要求，而且電學性能非常優異，批量一致性良好。絕緣支撐采用聚四氟乙烯材料，可通過簡單的車削設備加工而成，降低了生產技術要求和成本，在裝配時不需要借助任何專用工裝，大大提高了生產效率和經濟性。