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高性能TNCJ型射频同轴终端负载的设计


高性能 TNC/J 型射频同轴终端负载的设计
中国电子科技集团公司第四十研究所 乔长海 李传龙 摘要: 基于同轴传输线的基本理论,对使用频率达 18GHz 的高性能 TNC/J 型射频同轴终 端负载进行了设计。 简述了该产品主要结构的设计方法,提出了一些设计时应注意解决 的问题,进行了产品性能测试。 关键词:高性能 1、引言 射频同轴终端负载在无线电设备、电子仪器以及各

种微波装备中得到了广泛的应 用, 在系统中, 对空置的备用信道和测试端口进行阻抗匹配, 既保证了信号的阻抗匹配, 又大大减少了空置端口信号泄漏、 系统间的相互干扰,是射频传输系统的重要组成部分 之一,其性能的好环,将直接影响到整个系统的综合性能。 随着科学技术的进步,装备、仪器等系统技术水平的提高,射频同轴终端负载在各 类军、民用装备中的应用也越来越广泛,同时装备对射频同轴终端负载的电性能要求、 环境适应性等方面的要求也越来越高(比如:在尽可能宽的频带内,具有最佳的电气性 能;在严酷的环境中可靠工作等) ,这为射频同轴终端负载向高性能、高可靠方向的快 速发展提供了需求条件。 TNC 系列射频同轴终端负载是一种特性阻抗为 50Ω 、螺纹连接(7/16-28UNEF) 、 外导体内径为 6.5mm 的射频同轴元件。其优点是螺纹连接能实现牢固、可靠的连接与配 合,在冲击、振动等恶劣条件下,具有优良的性能稳定性。 近年来, 随着系统性能扩展的要求, TNC 系列射频同轴连接器的技术水平获得了很 大的突破,使用频率已经拓展到 18GHz,电性能及耐环境适应性能也得到较大改善。同 样也对 TNC 型接口的射频同轴终端负载提出了高性能要求。本文介绍的高性能 TNC/J 型射频同轴终端负载,就是为满足某些设备的需求而进行研制生产的。 2、该产品的主要性能指标 1) 工作频率范围:DC~18GHz; 2) 特性阻抗: 3) 温度范围: 4) 电压驻波比: 5) 功 率: 50Ω ; -65℃~165℃; ≤1.20; 1W ;
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射频同轴

终端负载

设计

6) 连接机构耐力矩:1.69N·m,min; 7) 非磁性材料的导磁率:μ <2.0; 8) 中心接触件固定性:轴向力≥26.7N; 9) 耐盐雾:48h; 10) 连接器耐久性:500 次。 3、设计原理 由于高性能 TNC/J 型射频同轴终端负载是一种特殊的射频同轴连接器,因此其主 要的设计依据仍然采用同轴传输线的基本理论:

Z0 ?

138

?r

lg

D 60 D ? ln ········ (1) ········ d ?r d

其中:ZO-----同轴传输线的特性阻抗(Ω ) D------外导体内径(mm) d------内导体外径(mm) ε r----介质相对介电常数 同时,在设计过程中还要遵循以下三条原则: (1)在同轴线内部保持一致的特性阻抗。通常同轴传输系统是一个阻抗连续分布 并保持不变的系统,如果阻抗发生变化,则会影响系统的性能。因此为了获得最佳的宽 带性能,在同轴线的每一个横截面上,都必须尽可能地使特性阻抗等于标称值(本产品 为 50Ω ) 。 (2)对于每一处不可避免的阻抗不连续,应采取补偿。在实际工程应用中,理想 均匀的同轴传输线是不存在的,由于结构或其它原因,总是要变化同轴线的截面尺寸, 因此在同轴传输线内,阻抗的不连续性总是不可避免的。所以在设计同轴连接器时,首 先应将未补偿时的不连续性控制在最小,其次对这些不连续应采取适当的措施,进行处 理,以获得高性能的产品。 (3)尽量减小机械公差对电性能的影响。在同轴器件的制造过程中,导体、介质 的尺寸公差(包括轴向公差、径向公差、形位公差及表面质量等)总是存在的。在设计 时应将可能影响电性能的尺寸公差数减小到最少,且尺寸公差应控制的合理的范围内 (统筹考虑产品性能、加工工艺性、生产成本等因素) 。在制造过程中应保证设计要求 的精度等级,并尽量保证零件尺寸的一致性,以利于得到高性能、高可靠的产品。

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4、结构设计与相关计算 4.1 界面结构 TNC 系列射频同轴连接器的界面结构已经比较成熟,在 IEC60169 系列标准和 MIL-C-39012 系列标准中做出了详细规定:有插针接触件连接器界面、插孔接触件连接 器界面; 0 级、 级连接器界面; 有 2 有使用频率为 11GHz 连接器界面、 使用频率为 18GHz 连接器界面。本产品采用 GJB5246-2004《射频连接器界面》中的 TNCA 系列插针接触件 连接器界面,其中外接触件采取不开槽结构,以利于保证其主要性能指标-----宽带条 件下的电压驻波比性能,界面结构见图 1。
基准面

0.08~1.02 0~1.02

5.28 min

图1 4.2 扩频设计

1.32~1.37

界面尺寸

对于任何一种射频同轴连接器来说,最关键的尺寸为外导体的内径尺寸,该尺寸与 内导体的外径尺寸、介质尺寸一起决定了该连接器的特性阻抗和截止频率。也就是说, 射频同轴连接器的结构形式决定了其截止频率,并可通过以下公式进行计算:

fc ?

2C0 ? (D ? d ) ? r

······· ······

7/16-28UNEF-2B

7.98~8.08

(2)

其中:f c ——连接器的截止频率(GHz)

C 0 ——电磁波在真空中的传播速度(3×108m/s)
D ——连接器外导体内径(mm) d ——连接器内导体外径(mm) ε r——绝缘介质的相对介电常数 由公式(2)可以看出:要想提高射频同轴连接器的上限截止频率 fc,可以通过缩

3

小 D 和 d(但应保证 D/d 不变,即保证特性阻抗不变)和减小ε r 来实现。 该产品内、外导体及支撑介质的结构形式见图 2,相关尺寸、特性阻抗及上限计算 结果见表 1。

A

B

C

A
图2

B

C

内、外导体及支撑介质的结构 表1

外导体内径 D(mm) 截面 A-A 截面 B-B 截面 C-C 5.35 6.0 3.5

内导体外径 d(mm) 1.65 2.6 1.52

介质的相对介 电常数ε r 2.02 1 1

特性阻抗 ZO(Ω ) 49.66 50.17 50.04

上限截止频率 f c (GHz) 19.21 22.22 38.06

4.3 宽带低电压驻波比设计 电压驻波比是射频连接器性能的一项重要指标, 为了保证连接器获得较低的电压驻 波比,应重点解决好连接器阻抗的匹配与连续。因此在设计连接器时,应尽量使内、外 导体的结构简单、 尽量减少阻抗不连续点, 这样对连接器阻抗的均匀性比较有利。 但是, 往往由于结构上的需要, 内导体等零件上必须有台阶过渡,以便各个零件间的安装与定 位,这样就形成了阻抗不连续点,在这些点上必然会引起反射,直接影响连接器的电压 驻波比性能,对于这些结构上不可避免的阻抗不连续点,应采用合理的方法进行改善。 高性能 TNC/J 型射频同轴终端负载的内、外导体直径的变化在连接器界面配合段、 内导体的固定段(聚四氟介质支撑) 、内导体与电阻连接过渡段,见图 3。界面配合段 的设计按照 GJB5246-2004,过渡段的方式全部采用直角过渡方式(见图中Ⅰ、Ⅱ处) , 其优点是加工、测量方便,尺寸精度容易控制与实现。采用错位补偿方式进行补偿,错 位间隙在 0.5~1.0mm 之间。

4





外导体

介 质

内导体
图3

电 阻

4.4 电阻段结构的处理 该产品采用的电阻功率为 1W,阻值为 50Ω ,外形尺寸较小,仅为φ 1×3。由于电 阻的阻值与电阻长度为线性关系(假设电阻各段均匀) ,随着长度的增加,阻值逐渐增 大,直至 50Ω ,也就是说,阻值不是恒定值,而是一个变化值,这与设计原则 1 是不 符的。因此在电阻段应采取合理的方式进行适当的处理;又由于电阻本身很短,又必须 有必要的固定段和错位补偿段,所以可采取措施的空间很小(见图 4) ,更增加了处理 的难度。 经过多次试制、测试摸底,采用斜面过渡方式(见图 4) 值在 30°~40°之间, ,θ 并受斜面长度尺寸精度的影响较大。因此,此段的尺寸精度的控制非常关键,对整个产 品的电气性能影响比较大。

θ

图4 为了提高电阻段外导体与前段外导体之间的接触的可靠性以及尽量减小材料体电 阻的影响,外导体 2 口部采取弹性结构(图 5) 。经过生产与誓言验证,这种结构提高 了与外导体 1 的接触可靠性, 改善了产品的性能。在外导体 2 开槽时应控制开槽的宽度 (最好不要超过 0.2mm)否则将对产品的电压驻波比性能产生不利的影响。

5

外导体1

外导体2

电 阻

图5 4.5 插针接触件的固定 插针接触件的固定性是影响该负载电气性能的关键因素之一,固定性差(尤其是 轴向) ,在使用时将影响产品界面的稳定性,直接导致关键技术指标的降低。 本产品的使用频率较高,如果全部采用台阶或倒刺等方式进行定位,对产品的电 压驻波比性能将有一定的影响。 根据该产品的结构特点及使用时内导体的受力情况,内 导体径向定位采用过盈配合方式(绝缘支撑与内、外导体分别过盈配合) ;采用一个绝 缘支撑和电阻配合实现对插针接触件的轴向固定。为此,我们专门对所采用的电阻的相 关性能进行了摸底试验。 本产品的接触件固定性要求的轴向力应不小于 26.7N。 主要考虑电阻能否直接承受 这么大的压力; 在承受压力过程中和受压力后的主要电参数—阻值的变化量。考虑到安 全系数,在对电阻进行测试时采用了 40N(约为最小规定值的 1.5 倍)的压力。电阻在 承受 40N 的压力过程中阻值最大变化量为 0.22Ω ;在 500 次压力作用后,阻值最大变 化量为 0.13Ω 。可见,该电阻的阻值在受力过程中、受力后的变化都很小,基本不会 影响到该产品的电气性能, 因此决定利用电阻受力对插针接触件实现轴向固定(具体结 构见图 6) 。

介 质

内导体

电 阻

外导体

顶 丝

图6

插针接触件的固定
6

5、测试结果 经过以上结构设计,我们进行了产品的试制、装配,并按有关要求对产品进行了 试验验证,测试结果全部达到了预期的目标,满足了使用要求,其中电压驻波比性能的 测试结果见表 2(4 只测试样品) #样品的测试曲线见图 7。 ,1 表2 频率点 样品 (GHz) 1# 2# 3# 4# 4 1.03 1.04 1.03 1.03 电压驻波比测试结果 6 1.06 1.07 1.06 1.06 8 1.05 1.04 1.04 1.04 10 1.05 1.05 1.05 1.05 12 1.08 1.07 1.08 1.08 14 1.04 1.05 1.03 1.04 16 1.08 1.07 1.06 1.06 18 1.18 1.17 1.17 1.16

图7

1#样品的电压驻波比测试曲线

7

6、结论分析 基于射频同轴连接器的设计理论对高性能 TNC/J 型射频终端负载进行了结构设计, 通过试制、试验证明:设计思路正确、结构合理,性能指标达到了设计目标。 高性能 TNC/J 型射频同轴终端负载,体积小、重量轻,频带宽、性能优,互换性 好。 在该产品的制作过程中,尺寸精度的控制,尤其是电阻段小型零件的尺寸精度、 位置精度非常重要,对产品的电压驻波比性能影响很大,应更加关注、控制。

参考文献: 1.李明德.扩频连接器与扩频方法. 《连接器与开关 2.GJB5246-2004 《射频连接器界面》 。 3.王一夫.射频同轴连接器的设计要点.《射频连接器设计及论文汇编》 2005 年。 第七届学术会议论文集》 2002 年。

作者简介 乔长海,男,1969 年生,高级工程师。1992 年,毕业于西安交通大学,从事连接 器设计、制造、标准化研究工作。 联系方式:电话 0552-4072448 E-mail:qch111111@163.com

李传龙,男,1965 年生,高级工程师。从事连接器设计、试验研究工作。

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