小型化毫米波射頻同軸電纜連接器的設(shè)計

周小飛，張鵬飛

(成都四威高科技產(chǎn)業(yè)園有限公司，四川成都，611731)

1 前言

隨著微波射頻技術(shù)的不斷發(fā)展，電子設(shè)備對微波射頻類元器件的電學(xué)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(xiàn)在更高的使用頻率，優(yōu)異的電氣性能及小型化。因此，市面上對電氣性能優(yōu)異、結(jié)構(gòu)小巧的毫米波連接器需求也是越來越大。目前，已有國際標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)用最為廣泛，使用頻率可達40GHz，波長為7mm，結(jié)構(gòu)可靠性高，經(jīng)濟性好。

本文設(shè)計了一種結(jié)構(gòu)小型化的2.92mm毫米波電纜連接器的新型結(jié)構(gòu)，在滿足優(yōu)異性能和小型化的前提下，大大提高了產(chǎn)品生產(chǎn)的簡易性和經(jīng)濟性。

2 傳統(tǒng)毫米波電纜連接器結(jié)構(gòu)

2.1 傳統(tǒng)通用毫米波電纜連接器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)通用毫米波電纜連接器結(jié)構(gòu)如下圖1所示。

傳統(tǒng)普通毫米波電纜連接器主要由外殼(1)、內(nèi)導(dǎo)體(2)、絕緣支撐(3)、介質(zhì)套(4)、內(nèi)外殼套(5)、焊接套(6)和鎖緊套(7)組成，其與電纜的裝配實現(xiàn)是通過將焊接套焊接到電纜外導(dǎo)層上，在通過鎖緊套將電纜與電纜連接器連接穩(wěn)固。

此結(jié)構(gòu)的優(yōu)點是電學(xué)性能較好，接口也為標(biāo)準(zhǔn)的空氣介質(zhì)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(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，生產(chǎn)成本較高，經(jīng)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(yīng)用方面應(yīng)用相對較少，而是采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的小型化結(jié)構(gòu)。

圖1 毫米波連接器通用結(jié)構(gòu)

2.2 傳統(tǒng)小型化毫米波電纜連接器結(jié)構(gòu)

傳統(tǒng)小型化毫米波電纜連接器結(jié)構(gòu)如下圖2所示：

圖2 傳統(tǒng)小型化結(jié)構(gòu)

此結(jié)構(gòu)主要由內(nèi)導(dǎo)體(1)、絕緣支撐(2)、外殼(3)和焊接套(4)組成，其結(jié)構(gòu)特點就是將絕緣支撐前置，大大縮短了外形尺寸，實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的小型化。其與電纜的裝配實現(xiàn)方式如表1所示。

表1 傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝配實現(xiàn)方式

先將焊接套焊接到電纜外導(dǎo)層上，并進行修剪露出內(nèi)導(dǎo)線，再使用工裝(焊接補償墊片)將內(nèi)導(dǎo)體焊接到電纜的內(nèi)導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)，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(shù)都較高，必須采用加入空氣介質(zhì)的方式來降低其綜合介電常數(shù)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 絕緣支撐結(jié)構(gòu)

最終導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，必須通過注塑或高端設(shè)備來完成加工，在小批量生產(chǎn)時成本較高，且需要依賴專業(yè)工裝進行裝配，裝配效率和經(jīng)濟性較差。

3 新型小型化毫米波電纜連接器結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)小型化結(jié)構(gòu)，同時提升產(chǎn)品生產(chǎn)裝配的經(jīng)濟性，設(shè)計了一種新型的小型化毫米波電纜連接器，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 新型結(jié)構(gòu)

主要由內(nèi)導(dǎo)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(jié)構(gòu)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(xiàn)軸向固定，在絕緣支撐增設(shè)臺階，同時在外殼和內(nèi)導(dǎo)體對于位置增設(shè)臺階，以實現(xiàn)絕緣支撐的固定，絕緣支撐后端還是采用空氣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)。

3.1 原理設(shè)計分析

其原理結(jié)構(gòu)如下圖5所示，已知的是內(nèi)導(dǎo)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(nèi)直徑(D1)、絕緣支撐后端空氣介質(zhì)段外殼內(nèi)孔直接(D2)和內(nèi)導(dǎo)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(jié)構(gòu)

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(yīng)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，F(xiàn)max=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(chǎn)生高次模，絕緣支撐厚度應(yīng)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(yōu)化得出T1和T2尺寸：

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

圖6 T1尺寸仿真優(yōu)化結(jié)

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

圖7 T2尺寸仿真優(yōu)化結(jié)果

3.2 裝配實現(xiàn)方式

其與電纜的裝配實現(xiàn)方式如下表2所示。

先將焊接套焊接到電纜外導(dǎo)層上，并進行修剪露出內(nèi)導(dǎo)線，再使用工裝(焊接補償墊片)將內(nèi)導(dǎo)體焊接到電纜的內(nèi)導(dǎo)線上，再將絕緣支撐套入內(nèi)導(dǎo)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(jié)構(gòu)進行緊固。

新型結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)裝配過程不同之處在于不再需要使用專業(yè)工裝對絕緣支撐零件進行裝配，只需要手動套入內(nèi)導(dǎo)體前端既可，裝配過程更加簡易高效。

表2 新型結(jié)構(gòu)裝配實現(xiàn)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(jié)果如下表3所示。

表3 性能測試結(jié)果

21.211.182.63dB31.221.212.67dB41.201.192.63dB51.221.202.71dB

可見，其電學(xué)性能十分優(yōu)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(jié)論

研制的新型結(jié)構(gòu)的毫米波電纜連接器不但滿足了小型化要求，而且電學(xué)性能非常優(yōu)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(shè)備加工而成，降低了生產(chǎn)技術(shù)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(chǎn)效率和經(jīng)濟性。