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射频同轴连接器设计和计算


毫米波同轴连接器的结构与特性
刘洪扬 【摘要】 随着毫米波技术的发展与应用,电子设备不断向小型化发展,迫切需要研制毫 米波同轴连接器已势在必行。本文对国外自 70 年代中期发展的 3.5mm 连接器直到 90 年代 初发展到 1.0mm 连接器的产品结构、设计要点和产品性能作了比较详细的论述,并指出了 在我国发展毫米波同轴连接器今后研究工作的重点。 【关键词】 毫米波连

接器 结构 性能

一、 前言
同轴线和同轴连接器是应用较早的一种元件。早期认为它的应用范围适合分米直到 10 厘米波段(即 300MHz~3GHz),当波长再短时会出现传输功率容量小,衰减大,制造困难 等一系列的缺点。因此,早期在厘米波段中同轴线几乎完全被波导所代替。由于技术上的 困难,同轴系统被认为是不能应用到毫米波系统上。这主要还是同轴电缆插入损耗大,当 工作频率升高以后有高次杂模出现,使其无法传播电磁信号。另一方面在一对同轴连接器 接头处也会产生较强的电磁波辐射,会造成很大的电磁干扰。正因为这些原因,就使得同 轴线及其连接器无法广泛应用到毫米波频段。很长一个时期内毫米波主要靠波导来传输。 但是波导频带较窄,甚至在某些情况下,在所给定的频带内,在其边缘还会出现重叠的现 象。由于同轴系统能够传输从直流到超高频频谱的电磁波信号,并且同轴器件具有体积小、 重量轻、使用同轴器件组装的系统具有不受物理位置限制等一系列优点,因此又一直吸引 着各国的同轴器件专家们去克服同轴系统存在的这些固有的困难。 自第二次世界大战结束到 90 年代初,同轴连接器的性能没有重要的改进。SMA 是当 时使用频率最高的一种小型同轴连接器,工作频率到 22GHz、60~70 年代重点是发展精密 同轴连接器,如 14、7、3.5(mm)精密连接器。精密同轴连接器的研制成功是同轴连接器技 术发展史上的一项重大成就。它使同轴线电压驻波比的测量精度由百分之几提高到千分之 几。这对毫米波连接器技术的发展起了很大的影响。 随着各种新型微波器件的出现,很多电子系统的传输功率不再像电子管时代那样高, 再加上精密测量技术的发展和精密机械加工技术的进步,近十几年来,毫米波同轴连接器 技术有了突飞猛进的发展。 毫米波连接器通常是指工作频率在 30GHz 以上(波长 10mm 以下)的同轴连接器。 70 在 年代中期由美国 Hewlett-Packard 公司和 Amphenol 公司推出的 3.5mm 同轴连接器是最早的 一种毫米波同轴连接器,它的工作频率达 33GHz。以后很多公司都又相继开发出很多新型 毫米波同轴连接器,详见表 1。进入 90 年代,Hewlett-Packard 公司宣布他们研制成 1.0mm 同轴连接器,最高工作频率达 110GHz。它是当前毫米波连接器中最小的一种,内导体直径 大致为 0.43mm(50Ω 时),要保证较高的尺寸精度,这么小的尺寸在机械加工中已有很大的 困难。 表 1 典型的毫米波同轴连接器
产品代号 3.5 使用频率 (GHz) 33 有极性 3.5, K, SMA 295 Hewleel-Packard co.AmPhenol 形式 配对 最初研制单位

产品代号 3.5(计量级) 2.92 K(2.92) 2.4 2.4(计量级) 1.85 V(1.85) 1.0

使用频率 (GHz) 33 40 40 50 50 65 65 110

形式 有极性 有极性 有极性 有极性 有极性 有极性 有极性 有极性

配对 3.5, K, SMA 3.5, K, SMA 3.5, K, SMA 2.4, 1.85, V 2.4, 1.85, V 2.4, 1.85, V 2.4, 1.85, V 1.0

最初研制单位 Hewlett-Packard Maury Microwave Wiltron Co Hewlett-Packard,.AmPhenol Omni Spectra Hewlett-Packard Hewlett-Packard Wiltron Co Hewlett-Parckard co. co. co. co.

这些新开发的毫米波同轴连接器有几个明显的特点。首先是连接器的工作频率尽量接 近相同规格空气同轴线的截止频率。1989 年 10 月颁布的 IEEE287 修正草案中规定的各种 传输线的频率范围如表 2 所示。这就决定了连接器内部尽量采用空气同轴式结构,对不可 避免的介质支撑(绝缘子)和内导体结构带来的影响要设法降低。其次是内导体几乎都采用 针孔式(有极性)结构,这是因为在小尺寸的情况下采用平面接点(无极性)会造成很多困难, 因此,IEEE287 新标准草案中规定允许使用有极性的内、外导体结构,但必须要保证连接 的性能与连接器配对连接无关,发展的事实证明,这一要求是能够实现的。再其次就是新 发展的产品都保持了和以前相关产品有良好的兼容性, K 型能保持与 3.5, 像 SMA 的配对, V 型能保持与 1.85,2.4 的配对。 表 2 50Ω 空气线尺寸和频率范围
外导体内径 D(mm) 使用频率上限(GHz) 理论截止频率(GHz) 14.29 8.50 9.50 7.0 18.0 19.4 3.5 33.0 38.8 2.92 40.0 46.5 2.4 50.0 56.5 1.85 65.0 73.3 1.0 110.0 135.7

应用场合不同对毫米波同轴连接器的要求也不相同,例如:仪表上使用的连接器在装 成大系统以前,反复连接的次数很少,可重复性和坚固性就考虑很少,重点考虑的是成本 和体积大小;在系统和仪器中使用的连接器,要求多次插拔,因此可重复性和坚固性就成 了头等重要的事情,其次才考虑成本;作为校准标准的场合需要有较高的测量精度,对使 用的连接器要求有更高水平的坚固性、可重复性和尺寸精度。根据这些使用场合的不同, 毫米波同轴连接器通常被分成三个等级,即生产级、仪器级和计量级。不同等级产品的主 性能和关键零件的公差是不相同的,但保持产品的精密性、坚固性和耐久性是三个等级都 需要的。 2.4mm 连接器是第一个实现三个等级齐备的连接器,不同的性能要求如表 3 所示。 表 3 2.4mm 连接器配对时的反射损耗值和重复性
项 反射损耗(dB) 频率在 18GHz 26.52GHz 50GHz 重复性(dB) >26 >24 >18 >40 >36 >32 >26 >44 >42 >36 >32 >50 目 生产级 仪器级 计量级

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二、毫米波同轴连接器的基本结构
毫米波同轴连接器的结构虽然有各式各样,但是它们的基本作用有两个,即联接和转 换。联接同轴线用的连接器在配对以后应当成为坚固无反射互联。转接器是作为一个接口, 用于连接器与微波电路之间的转换。这些转换通常是方式变换,如:同轴线——微带,同 轴线——波导等,不过有的转换还是相当复杂的,尤其是在很高的频率下方式变换也不是 一件容易的事。图 1 和图 2 是毫米波同轴连接器的典型结构图。图 1 是联接同轴线用的连 接器,它由插头和插座两部分组成。图 2 是一个转换插座,图的左面是转换面,通过其它 附件实现与微波电路的连接;图的右面是配合面,它是一个标准的接口能与相应的连接器 配接。

图 1 毫米波同轴连接器

图2

毫米波同轴转换插座

毫米波同轴连接器在内外导体之间除两个绝缘支撑子(绝缘子)以外全部由空气介质填 充。这就避免了用固体介质填充时所带来的问题,例如:空气隙的长度难以得到控制,并 且还会随温度而变化;传输线阻抗不稳定,因它取决于固体介质的电常数和尺寸。另外采 用空气介质对用户也有利,因为连接器的特性阻抗能够通过内、外导体尺寸(d、D)两个简 单物理量的测量就能判定。由空气介质填充的连接器性能比较稳定,在任意配对的情况下 其性能都非常相近,获得了较高的重复性能。
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毫米波同轴连接器的基准面选在阴阳外导体的结合处,结构上要保证在这个地方能形 成紧密的接触,无缝隙存在。中心导体的连接是由阴接触件(插孔)夹持住阳接触件(插针) 而形成。其中插孔是关键,它直接影响到连接器的精度、可重复性、耐久性以及高频性能。 多少年来,人们都在研究与探索能有一个比较理想的插孔结构。在实践中认识到一个好的 插孔应当具有与插针的接触面积大、接触压力小、插拔力低以及弹性爪要有足够的弹性, 并且在安装上要确保与插针的同轴性。在毫米波同轴连接器中一般都采用四槽式插孔,但 是计量级连接器对性能稳定性、可重复性和阻抗精度要求都特别高,常常采用无槽式插孔。 插针插孔的接触状态对连接器的性能有很大的影响,要使一对连接器配对后能达到最 佳的匹配状态,阴、阳中心导体应当完全接触在一起,使他们之间没有间隙存在即 G=0, 因为任何间隙都将引起一个串联电感而出现不匹配。由于这个理由,一个理想连接器的中 心接触件的接触端面到基准面的公差应当是±0,即 g=0。事实上,理想状态是不可能的, 但是中心导体的接触间隙又是有害的,所以要求连接器中心导体到基准面的公差(g)应当为 零或者是一个允许的很小的负数。 在毫米波同轴连接器中为了固定内、外导体,常常使用介质绝缘子来作支撑。在均匀 同轴线中引进了绝缘子对同轴线的传输特性将发生很大的影响、由于内、外导体直径的变 化以及介电常数的不同,将直接影响到特性阻抗的变化,设计不当将会产生严重的反射。 另一方面,在均匀同轴线中有限长绝缘子会引起振荡激励作用,使得同轴传输线的截止频 率受到约束而下降,并且还会使高频电场传输不稳定。研究表明,采用挖空绝缘子的方法 能有效地降低绝缘子的介电常数,从而达到可以增加绝缘子宽度(B)的目的;两个绝缘子之 间的距离 A 还必须达到相当大的值,约为 A=2D 时,两者的相互影响才能到最小,当距离 增大到 A=3D 以上时,相互影响就可以忽略了。对于单个同轴连接器来说,绝缘子必须离 开基准面大约要有 1~1.5 倍 D 的距离(=A/2)。 连接器的接口不但影响到产品间的互换,而且还影响到产品性能。连接器的坚固性和 抗滥用能力主要取决于其接口结构。目前 IEEE287 新标准仍在制定中,这里先把一些公司 生产的针孔式毫米波连接器接口尺寸列于图 3 和表 4 供参考。 不同资料中的数据略有出入, 本文略加统一与圆整。

三、典型毫米波连接器的特性
1、 SMA 连接器 SMA 连接器的工作频率到 22GHz, 它不是一个毫米波连接器, 但是它对毫米波连接器 的发展有很大的影响,因此很有必要先对它作个介绍。 SMA 是由 Bendix 公司在 50 年代末期为半硬同轴电缆而设计的。 它的配合空间用聚四 氟乙烯介质填充,结构比较简单。这种连接器当初并没有打算长久使用,更没有作为一个 精密连接器来考虑,因此它只是一个普通系统用的连接器。在当时情况下,由于它的体积 小,能在较高频率下工作,很快得到了普及,甚至到后来发展出更新一代毫米波同轴连接 器时不得不考虑与他的兼容。可是由于它先天性不足,也为后来发展小型同轴连接器带来 了一些限制。SMA 存在的主要问题是精度不高,不适合测试设备的需要;其次是外导体的 壁比较薄,内导体插孔又是两槽结构,在使用中非常容易被磨损和发生损坏故障;再其次 是使用频率不高,不能适应工作频率带达 40GHz 以上系统的需求。

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图3

毫米波同轴连接器接口

表 4 毫米波同轴连接器接口尺寸(mm)
代号 a b c d D e f g s 0~0.053 8 0~0.0254 8 3.5 Φ 4.52~4.57 Φ 4.60~4.65 0.250〃—36 Φ 1.520 ±0.0025 Φ 3.500 ±0.005 Φ 1.267 ±0.015 Φ 2.92 ±0.01 Φ 1.042 ±0.0025 Φ 2.400 ±0.005 2.92 2.4 Φ 4.725~4.75 Φ 4.77max M7×0.75-6g Φ 0.803 ±0.0025 Φ 1.850 ±0.005 M4×0.7 Φ 0.434 Φ 1.0 1.85 1.0

Φ 0.902~0.927

Φ 0.511±0.005 3.05±0.005 0~0.0127 8 0~0.101 8 6

由于 SMA 存在这些缺陷,一些制造商就开发了一批能与 SMA 兼容的连接器,主要型 号有 3.5mm,WSMA 以及后来发展的 2.92mm,MPC3,KMC 和 WMP4 等。这些连接器克 服了 SMA 的局限性,在结构上与 SMA 也不相同,就外导体的接触面积讲,新开发的连接 器都大大加强(见表 5),提高了连接器的坚固性。 表 5 几种连接器外导体的接触面积比较
SMA 外直径(吋) 内直径 D(吋) 壁厚(吋) 接触面积(吋 2) 0.179 0.163 0.008 0.0043 3.5mm 0.179 0.138 0.021 0.010 2.92mm 0.179 0.115 0.032 0.015

2、 3.5mm 连接器 在 60 年代中期, 美国商业部为了小型精密同轴连接器的标准化成立了一个联合工业研 究会(JIRC), 经过努力于 1972 年提出一个民用产品标准, 空气传输线的尺寸缩小到 3.5mm, 无模工作状态下的频率扩展到 36GHz。随后推出一种与它相匹配的 3.5mm 鸳鸯连接器(头
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座相同)。但由于它的精密度高,价格昂贵,阻碍了把它作为一个通用连接器而广泛使用。 由于形势的需要,Hewlett-Packard 等公司研制出一种高精度,价格比较便宜的 3.5mm 连接 器,配合空间由空气介质填充,内导体插孔采用无槽结构,实际上是在有槽插孔外面加上 一个无槽的保护套。额定工作频率达 33GHz。它在两个绝缘子之间选择了足够大的距离为 0.50 时(12.27mm),为 D 的 3.5 倍。 3.5mm 连接器能与 SMA 兼容,能进行无损地对接。在 SMA 工作频段范围内,3.5mm 连接器的电压驻波比特性与 SMA 相近。3.5mm 连接器最初设计是作为一种低成本,企图 能代替 SMA,但是它未能及时形成批量以达到提前降低成本的目的,结果使得 3.5mm 连 接器的价格偏高,这就是 3.5mm 连接器未能代替 SMA 的原因。3.5mm 连接器由于它的精 密性和良好的耐磨性,特别适用于测试设备上。 3、 2.92mm 连接器 2.92mm 连接器在结构上 3.5mm 与连接器相似,只不过是更小一些,允许工作频率到 46GHz 其内导体尺寸与 SMA 相同为 0.05 英寸(1.27mm)。2.92mm 连接器最早是 Maury Microwave 公司研制出来的(MPC-3 型)。 由其他公司研制的这类连接器还有 K 型、 KMC 型、 WMP4 型等。 K 型连接器是在 1983 年由 Wiltron 公司研制出来的,它能与 SMA、3.5mm、WSMA 连接器兼容。K 型连接器的心脏是它的过渡器,它用一个玻璃绝缘子实现同轴连接器到微 带电路的刚性过渡,这就保证在更换连接器或维修时不会损伤电路。 毫米波同轴连接器的可靠性受到插拔力、外导体强度、配接时的应力消除情况及配接 时同心度的影响。K 型连接在这些方面都具有良好的性能。在正常情况下,K 型连接器的 插拔力为 0.5 磅(2.22N)而 SMA 是它的三倍。 型外导体的壁厚是 SMA 的四倍(见表 5), K 其 可靠性相当于 SMA 的 30 倍,这一点已被试验所证实。试验表明,K 型连接器经一万次插 拔后,其电气性能几乎没有什么变化。它特别适合于系统和测试仪器上使用。 4、 2.4mm 连接器 2.4mm 同轴连接器的研制成功标志着毫米波连接器发展走上一个新的台阶。在它前面 发展的一系列小型同轴连接器在结构上作了不少改进,但是在连接器的坚固性和可重复性 方面仍然改进得不够。这就使得仪器和校准标准方面出现一连串的问题,因为这些地方需 要有更高的对准性、坚固性和可重复性。 在以前开发的小型连接器由于受到要与 SMA 兼容的限制而影响了连接器的性能,例 如,当与 SMA 配合时,由于 SMA 尺寸公差范围非常之大,能偶然发生阴中心导体(插孔) 外径增大的故障,并且高频覆盖能力较小,中心接触体也很脆弱(易断)。这就迫切需要研 制一种新型同轴连接器,要求无模工作到 50GHz,坚固性和可重复性高并具有抗偶然故障 的能力。在这样一个新的要求下,Hewlett-Packard,Omni Spectra、Amphenal 等公司相继 开发出一代新型小型 2.4mm 连接器。 2.4mm 连接器配合空间使用空气介质填充,达到低损耗。中心导体支撑采用高性能绝 缘子,其上面的补偿孔是不通孔,能防止污物进入连接器的内部。两个绝缘子之间有足够 大的距离,使互相影响减至最小。中心导体插孔采用四槽结构(用于生产级和仪器级)和无 槽结构(用于计量级)。它的外形很像 SMA,APC-3.5,为了不致于发生与这些连接器发生偶 然配合,所以连接器的连接螺纹采用公制 M7×0.75。为了保护插孔不被损坏,在插针接触 插孔前外导体已配合到 50%以上。
300

2.4mm 连接器在 DC~50GHz 整个范围内都具有良好的性能,反射损耗都小于 SMA、 APC-3.5、K 型连接器,结构具有很高的可重复性。2.4mm 连接器能适用于很宽的领域,是 第一个具备有生产级、仪器级和计量级三个等级的产品。 5、 1.85 和 1.0mm 连接器 美国 Hewlett-Packard 公司是一个从事电子设备和元件的制造公司,它在毫米波连接器 研制中一直处于领先地位。在 1986 年欧洲微波会议上他们又首次推出 1.85mm 的连接器, 使工作频率扩展到 65GHz。后来 Wittron 公司经过改进,并于 1989 年 1 月宣称在 360 型网 络分析仪中使用了 1.85mm(V 型)连接器,并能同 2.4mm 连接器兼容。V 型连接器的结构形 式与 K 型相同,只不过尺寸更小一些。它与微波电路的连接也是用一个过渡器——玻璃绝 缘子,其中心导体的直径只有 9 密耳(0.23mm)。 进入 90 年代,Hewlett-Packard 公司宣布他们又研制成功 1.0mm 连接器,这是目前世 界上最小的毫米波连接器,内导体直径约为 0.43mm(50Ω ),最高工作频率达 110GHz。

四、结束语
毫米波同轴连接器发展的时间虽然不长, 但是发展速度相当快, 目前已基本形成系列。 这主要是由于它的频带宽、尺寸小、重量轻、耐用性和可重复性好、成本低以及能与较低 频率的连接器兼容等一系列的优点,使其应用领域越来越广泛。甚至目前国际上已出现用 同轴系统去代替毫米波波导系统的新趋势。2.4mm 连接器是一个划时代的连接器,它摆脱 了 SMA 的束缚,结构更加合理,电性能和机械性能都优于前者,而且价格也较低廉,据 称它将最终取代现已广泛使用的 SMA 连接器。 毫米波连接器用于使用频率很高,结构尺寸太小,给电气、机械方面带来了一系列的 新问题,我们需要对它的设计理论、测试方法、细微精密加工技术、标准化及应用领域等 方面作深入的研究,以利推动我国毫米波连接器的大发展。 参考文献
[1] Bruno Weinschel,Coaxial Connectors:ALOOK to the Past and Fulure,MSN.FEBRUARY 1990 [2] K and V Cinnectors,Wiltron CO.Catalog 1989 [3] Karl Kachigan 等,The 2.4mm Connector Vital to the Future of 50 GHz Coax,MSNOCTCBER 1986 [4]Willcam W.Oldfield,Comparing Miniature Coaxial Connectors,MICROWAVES & RF,September 1985 [5] Thomas J. Russell,Ruggedized 3.5mm Connector Cortact,MICROWAVEJOVRNAL,MARCH 1984 [6]H.NEUBAUER and F. R.. HUBER,HIGHER MODES IN COAXLAL RF LINES,MICROWAVE JOURNAL,June 1969 [7] STEPHEN F. ADAM. 等 , A Niw34GHz3.5mm LOW-Cost Utility Coaxial Connecto-Featuring Low Leakage,Low Standingr Wave Ratil and Life,IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES,DECEMBER 1979

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毫米波同轴连接器理论计算
刘洪扬 【摘要】 毫米波同轴连接器的结构在理论上把它看成为由介质填充和空气填充相结 合而成的一段同轴传输线。在理想化假设后,运用同轴传输理论对毫米波连接器的特性阻 抗、尺寸及公差、绝缘子厚度及介电常数的计算作了详细论述。并对 3.5,2.92,2.4,1.85, 1.0mm 连接器的主要参数进行了计算。 【关键词】 毫米波连接器 设计理论

一、前



毫米波同轴连接器通常是指工作波长在 10mm 以下的连接器,是一种超小型微波同轴 连接器。它的特点是工作频率高、结构尺寸小、精度要求高。由于连接器的结构尺寸与工 作波长相接近,任何微小的变化都会给连接器的电气性能带来严重的影响,这就给连接器 结构尺寸带来了高精度的要求。尺寸小,精度高又给制造技术提出了更高的要求。 毫米波同轴连接器从广义上讲,它是一段同轴线,因此同轴线传输的基本理论在这里 也是适用的。但是它必竞又不像同轴线那样简单,由于结构上的需要,引进了绝缘子,内 外导体直径出现了台阶。它不可能是一个均匀的同轴线,使电场传输特性发生了改变,另 外由于制造上的原因,存在不可避免的误差,使连接器的精度受到影响。这一系列的问题 就是连接器理论设计需要解决的内容。有些可以通过理论分析与计算求得比较合理的设计 参数,但是有些问题因素十分复杂,难以进行理论计算,就是计算也不一定准确,只有通 过对典型结构的实验,找出它们的规律性,用以指导连接器的理论设计。

二、连接器接口模型
毫米波同轴连接器的插头和插座相连接的接口设计是连接器的关键,它不仅影响到产 品的互换性,而且直接影响到连接器的电气性能。连接器的外导体在接口处必须保证紧密 接触,而阴阳内导体在接口处就可能出现间隙。毫米波同轴连接器内外导体之间除很薄的 支撑绝缘子外,全部由空气介质填充,因此,连接器的接口可把它看成为一段带绝缘支撑 的空气同轴线,其接口模型如图 1 所示。D 是外导体的内径,d 是内导体的外径,dg 是内 导体插针直径,A 是两个绝缘支撑子(简称绝缘子)之间的距离,B 是绝缘子的厚度,G 是阴 阳内导体接触端面可能出现的间隙。 连接器接口实质上是由介质填充和空气填充相结合而成的一段同轴线。由于结构支撑 的需要,内、外导体在绝缘子厚度范围内常挖有不同深度的槽;又由于制造和安装误差的 存在,内、外导体直径在长度方向会出现不均匀,在径向存在一定的偏心度以及内导体接 触处不可避免地会出现一定的间隙。这样一来这段同轴线就变得相当复杂,难以进行理论 计算。为了分析方便起见,我们先对连接器接口模型作理想化假设,进行分析计算,然后 再逐一分析这些不同情况的影响,设法避免或降低这些因素对连接器的影响。

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图 1 毫米波同轴连接器接口模型 假设绝缘子厚度 B 为有限,两绝缘子之间的距离 A 足够大,在内、外导体上的挖槽 深度和间隙 G 都比较小,因此毫米波同轴连接器接口模型图 1 在理论上把它近似地看成为 一段均匀的同轴线,即认为在整个范围内,内、外导体的直径没有变化,全部为空气介质 填充。 1、 D 与 d 的计算 理想同轴线的特性阻抗公式为: Z0=

C0 ? 0 1 D ln 2? ?r d

(1)

式中:真空导磁率 μ 0 = 4π ×10-7 享/米 光速 C0 = 299,792,458±1.2 米/秒 空气相对介电常数 ε r =1.000649 在 23℃, 50%温度和 101.3KPa 大气压力时 的计算值。代入有关参数后得: Z0=

59.95850 0.00001 D ? ln d ?r

(2)

由此求得 50Ω 空气同轴线外、内直径比值为: D/d=2.3029 (3) 根据 IEEE287 修正案规定的尺寸 D 计算出 50Ω 毫米波同轴连接器内导体尺寸 d 列于 表 1。 表 1 50Ω 毫米波同轴连接器主要参数
规 格 3.5 3.50 1.520 LPC GPC 0.2 0.4 33.0 38.8 303 2.92 2.92 1.268 0.3 0.8 40.0 46.5 2.4 2.40 1.042 0.4 0.8 50.0 56.5 1.85 1.85 0.803 0.5 1.0 65.0 73.3 1.0 1.00 0.434 0.6 1.2 110.0 135.7 D(mm) d(mm)

?? ?0

(±%)

最高工作频率(GHz) 理论截止频率(GHz)

注:LPC=实验室精度连接器 GPC=普通精度连接器 连接器内、外导体直径的偏差会引起一个阻抗误差△Z,使得同轴线失配而产生反射。 在均匀同轴线中电压驻波比的公式为 VSWR= TL=

1 ? TL 1 - TL

ZL - Z0 ZL ? Z0

式中 ZL 和 TL 分别为负载阻抗和负载反射系数。若 ZL=Z0+△Z,由阻抗误差所引起的 电压驻波比可表示为: VSWR=1+

?? ?0

(4)

式中△Z/ Z0 称做为阻抗精度,它是根据不同使用场合的要求确定的。IEEE287 修正案中规 定了实验室精度连接器(LPC)和普通精度连接器(GPC)的阻抗精度值列于表 1 中。 在实际连接器中,D,d 不可能保持不变,由于固定绝缘子或连接电路转换的需要,使 连接器中一段尺寸变为 D1 和 d1,介电常数变为ε r1,为了保持良好的传输特性,应根据阻 抗一致性原则设计 D1 和 d1 的尺寸。对于 50Ω 空气同轴线中在用ε r1 介质填充段的直径关 系为: D1/d1=1n-1(0.834

? r1 / ? r )

(5)

式中ε r 为空气的相对介电常数。 2、 截止波长(或频率) 均匀同轴线本身传播的是电磁波(TEM 波),在理论上它没有截止频率的限制,工作频 带极宽。但是在已定尺寸的同轴线中,传输电磁波的频率升高到一定程度后会在同轴线中 激励起高阶模即 TM 波和 TE 波。这意味着对 TEM 波能量的损耗。一次谐波 H11(TE11)模的 临界波长最长,为了能在同轴线中抑制高次谐波的产生,人们就 H11 模的临界波长作为同 轴线的截止波长、同轴线理论截止波长(频率)计算的近似公式为: λ 或
C

≈ ?r

? (D ? d )
2

(6)

f c =C0/λ 0≈

2C 0

? ? r (D ? d)

在实践中发现按(6)式计算出的截止频率略为偏低了一些, 对于 50Ω 的空气线来讲大约 要低于 H11 模时的 2%,几乎接近 H21 模。 美国 “微波手册” 中提出一个 1.0205 的修正系数, 修正后的截止频率计算公式为:

fc ≈

2.041 0 C

? ? r (D ? d)

(7)

为了保证同轴线只能传输 TEM 波,它的最高工作频率要低于 H11 模的截止频率,通常 要低 15%左右,频率非常高时,低的比例还要更大一些。各种毫米波同轴连接器(50Ω )的 理论截止频率和最高工作频率列于表 1 中。
304

三、允许的机械公差
1、 内、外导体直径的公差 同轴连接器的内、 外导体的直径在制造过程中不可避免地要出现一些偏差, 假设用△d, △D 表示 d、D 的偏差,由它引起的特性阻抗相对偏差为:

?? K = ? 0 Z0

? ?D ?d ? ? ? ? d ? ? D

式中: K=59.95850/

?r
(8)

对于一个 50Ω 的同轴连接器,如果ε r≈1,K≈60,由此得到:

?? ? ?D ?d ? ≈ 1.2? ? ? ?0 d ? ? D
当连接器的阻抗精度△Z/Z0 和△d 给定时,按(8)式求得 D 的公差为:

? ?? 1 ?d ? ?D ? D? ? ? 1.2 ? d ? ? ? 0 ?

(9)

2、 内、外导体的偏心度 e 连接器内、外导体的横截面由于制造或装配的原因会出现不同心,假设偏心度为 e, 如图 2 所示。由于偏心度 e 的作用,改变了同轴线单位长度的电容,所产生的阻抗误差为:

图 2 d 和 D 的偏心度

? 4e 2 ? 240e 2 ??? 2 ?? ? 60ln?1 ? 2 ? D ?d2 ? D ?d2 ? ?
式中负号(-)表示特性阻抗变小。 对于一个 50Ω 的连接器、其阻抗误差为:

(10)

e2 D2 ?? e2 ? - 5 . 9 22 ?0 D ?? ? -296
当给定连接器的阻抗精度和 D 值,最大允许的偏心度为:
305

(11) (12)

е = 0.4/D

?? ?0

(13)

如果内导体直径 d 的公差按 IT6 级公差,在实验室精度时,毫米波同轴连接器允许的 机械公差按公式(9)、(13)计算出的结果列于表 2 中。△D 计算出的公差值不太符合标准, 可按相近的公差等级选定△D 的公差,△D 括号中的数值为 IT8 级公差值。 表 2 50Ω 毫米波同轴连接器(LPC)允许机械公差
规格 3.5 2.92 2.4 1.85 1.0

?? ?0
0.2 0.3 0.4 0.5 0.6

直径(mm) D 3.50 2.92 2.40 1.85 1.00 d 1.52 1.268 1.042 0.803 0.434 △d 6 6 6 6 6

允许机械公差(μ m) △D 20(18) 21(14) 22(14) 22(14) 19(14) e 64 66 62 54 32

3、 内导体轴向间隙 G 同轴连接器配对连接后,希望插头和插座两者的内、外导体在轴向实现紧密的接触, 因为任何间隙的存在都会对传输特性产生不利的影响。但是由于机械结构上的原因,要达 到两者都能紧密接触是困难的。通常设计成让外导体的端面紧密接触而无间隙,允许内导 体的接触端有微小的间隙。在这个间隙区内,内导体的直径变小,形成一小段高阻抗传输 线,引起了同轴线固有电感和电容的变化并出现了不连续电容。这个电感和电容要进行理 论计算是相当复杂的,并且也不一定能算得很准确。通过对间隙 G 对传输特性的影响的研 究认识到,在间隙范围不太大的情况下,由间隙 G 所引引的电压驻波比增量△S 有下列关 系:

? ?d ? N? ? ?S ? ?0.025 fG? r ln? ? ?dg ? N? ? ? ? ?

(14)

式中 f 是频率——GHz; G 是间隙宽度——mm; ε r 是填充介质的介电常数;d 和 dg 是 直径——mm; ω r 是插孔开槽宽度——mm;N 是开槽数目。 毫米波同轴连接器通常由空气填充,ε r=1,由间隙 G 所引引的电压驻波比增量为:

? ?d ? N? ? ?S ? ?0.025 fG ln? ? ?dg ? N? ? ? ? ?
当一个连接器的电压驻波比指标给定时,允许的最大间隙为:

(15)

? ? ?d ? N? ?? (16) G ? 40?S / ? f ln? ? ?dg ? N? ?? ? ? ?? ? 举例: 一个 2.4mm 的同轴连接器, f =50GHz, 设 d=1.042mm, dg=0.511mm, =0.2mm, ω
N=4, 当要求电压驻波比 S≤1.2 时, 可认为△S=+0.20, 把各参数代式(16)求得 G≤0.14mm。 对于单个连接器而言,内导体接触面到基准面的误差为 0~0.07mm。

四、绝缘子
在均匀同轴线中引进了介质绝缘子对同轴线传输特性将发生很大的影响。由于在绝缘
306

子范围内 d 和 D 的尺寸发生变化,介电常数也不同,这将直接影响到特性阻抗的变化,设 计不当将会产生严重的反射。这一点如果按阻抗一致性原则,用式(5)精确计算出变化后的 尺寸 d1 和 D1, 这种影响会减到最小。 另一方面在均匀同轴线中有限绝缘子会起振荡激励作 用使同轴传输线的截止频率受到约束而下降,并且还会使高频电场传输不稳定。 早在 60 年代中期,美国的 Bussey 和 Beatty 两人就提出了均匀同轴线中有限绝缘子的 谐振理论。他们研究了单个绝缘子和一对绝缘子系统的有关问题。后来又有不少学者作了 进一步研究,不但确认了他们的实验结果,而且又作了很多补充。下面将应用这些理论来 解决毫米波连接器设计中的有关问题。 1、 绝缘子厚度 在均匀同轴线中绝缘子的谐振频率是绝缘子长度(厚度)及其介电常数的函数。 在厚度 B 一定时,谐振频率随介电常数ε r 的减小而升高;在ε r 一定时,谐振频率随绝缘子厚度 B 的减小而升高。当 B 趋近于零时,就成为一个空气同轴线,其谐振频率由它的截止频率所 决定,这时波在空气中能稳定传输而不发生谐振。而当 B 接近外导体直径 D 时,由于绝缘 子谐振作用使得同轴线中的电磁波传播极不稳定, 并使同轴线的截止频率受到约束而下降。 由此看来,绝缘子厚度必须小于外导体的直径(B<D),而且厚度越薄越好。 在同轴线中不发生 H10(TE10)高次模时,绝缘子厚度 B 的关系式为:

1 ? fc ? ? ? ?r ? f ? ? ? 式中:λ g 为同轴线的工作波长; f 为工作频率; f c 是截止频率;ε r 为绝缘子的相对 1?
介电常数。 2、 绝缘子间距 一对同轴连接器插合连接后,绝缘子在同轴线中的位置模型如图 3 所示。A 表示两个 绝缘子之间的距离,A1 表示一个绝缘子一面到同轴线直径发生突变的平面之间的距离。 绝缘子谐振不但是由一个绝缘子的电场所决定而且外部空间的影响也很重要。在 A 空间两 个绝缘子的电场会互相作用而影响到他们的谐振条件。在 A 空间也会产生寄生振荡电场使 谐振频率受到约束而下降。经对他们谐振特性研究表明:两个绝缘子之间的距离 A 必须达 到相当大的值,约为 A=2D 间,两个绝缘子的相互影响就较小,到 A=3D 以上时,相互影 响就可以忽略了。对于单个同轴连接器来说,每个绝缘子必须离开基准面大约要有 1~1.5 倍 D 的距离,例如 3.5mm 连接器大约要有 3.5~5.25mm 的距离;A1 对谐振频率的影响与 前面两个绝缘子时的情况相似,只不过这里相当于单个同轴连接器的情况,当 A1=D 时, 谐振频率与 A1 就没有什么依赖性,A1 再增大影响也就不大,到 A1=1.5D 以上影响就可以 忽略不计了。

? ? ? ?g t an?1 ? B= ? ? ? ?r ? ?

? fc ? ? ? ?1 ? f ? ? ?
2

2

? ? ? ? ? ? ? ?

(17)

307

图 3 绝缘子位置模型 在连接器设计中,绝缘子间距应满足下列条件: A≥2D (18) A1≥D (19) 3、 低介电常数绝缘子 同轴线要达到稳定传输而不发生振荡,希望绝缘子的厚度越薄越好。但是由于结构上 机械支撑的需要,绝缘子的厚度又不能做得太薄,否则会影响内导体的稳固性和直线度, 不仅会影响到高频传输特性,而且还会直接影响到阴阳内导体的插配,增加磨损,降低寿 命。从实现良好的支撑作用出发,又希望绝缘子厚一些好。从绝缘厚度关系式(17)可以看 出,在同轴线结构确定的情况下,要得到较厚的绝缘子只有设法降低绝缘子的介电常数ε 。 多少年来,尽管研制成不少低介电常数的新材料,很遗憾,至今还没有找到一种介电 常数能小于 2 的射频绝缘材料。众所周知,空气的介电常数最低为 1,非常有可能用空气 混合的电介质来降低介电常数。发泡电介质就是一种,如发泡聚苯乙烯有可能使介电常数 非常接近 1 这个期望值。但是已经证明,它在其它方面不合适,其缺点是在批产品中的一 致性和重复性太差,并且机械强度也不够。于是人们放弃了这种混合的尝试,采用整体绝 缘子上挖空的办法即去掉部分介质材料。实际上,它是一种用空气与介质材料组合的绝缘 子。就绝缘子整体效应而言,起到了降低绝缘子介电常数的作用。我们称做为等效(或平均) 介电常数 ? r ,其计算公式为:

? r =ε P+ε r (1 – P)

(20)

P=VS/Vt 式中:ε r 为固体介质材料的介电常数;ε 为空气的介电常数;VS 为绝缘子中固体介质材 料的体积;Vt 为绝缘子的总体积。 假设空气介电常数ε =1,则上式可表示为:

? r =1+(ε r – 1)P 或: ? r =ε r –(ε r -1)Vi/Vt

(21) (22)

式中 Vi 为绝缘子被挖空部分的体积。 在毫米波同轴连接器中采用的低介电常数绝缘子的结构形式如图 4 所示。图 4(a)是一 种有六个不通孔的绝缘子,用聚四氟乙烯材料制成时,其等效介电常数能降到 2 以下,曾
308

见到 ? r =1.66 的报导。由于是不通孔,可以防止污物分入连接器内部。这种结构为 K 型和 2.4mm 同轴连接器所采用;图 4(b)是一种四轮辐星形状绝缘子,外圈是一个金属环,内部 带有四个槽,用四个绝缘薄片嵌入槽中实现对内导体的支撑,这种结构能更有效地降低绝 缘子的等效介电常数,为 2.92mm 连接器所采用。

图 4 低介电常数绝缘子 两种低介电常数绝缘子中,六孔式的效果要差一些,因为它只能去掉很少部分介质材 料。而星形绝缘子的效果就比较好,绝缘材料被去掉的扇形部分几乎直到内导体,形成较 大的空间,平行的电力线大部分能顺利通过绝缘子或在直角处能就近绕道通过。因此,星 形绝缘子能得到较低的等效介电常数。

五、结 束 语
毫米波同轴连接器中除两个绝缘子外全部由空气介质填充,受环境条件影响较小,其 性能主要决定于连接器本身的结构设计。 在设计中只要能对各种参数进行精确的理论计算, 就一定能获得高性能的连接器。绝缘子对连接器电气性能有重要的影响,采用挖空介质的 方法能有效地降低其等效介电常数,提高谐振频率,增加厚度。不足之处是增加了制造上 的难度,对加工技术提出了更高的要求。 参考文献
[1] BRUNO O.WEINSCHEL,Air-Filled Coaxial Lines as Absolute Jmpedance Standards,the Microwave Journal,April 1964,PP.47-50 [2] BRUNO O WEIHSCHEL,Errors in Coaxial Air Line Standards Due to Skin Effect the Microwave Journal,November 1990,pp.131~143 [3] William W.Ofelied,Comparing Miniature Coaxial Connectors,MZCROWAVES &RF, September 1995,P.172 [4] H.NEBUBAUER and F.R.HUBER, Highter Modes in Coaxial RF Lines ,the Microwave Journae Lune 1969,PP.57-66 [5] Andrew Alford ,Highter Modes in Insulating Beads,the Microwave Journal,MARCH 1990,PP.146~156

309

毫米波连接器绝缘支撑轴向位置的理论计算
王言平 【摘要】 本文论述了绝缘支撑激发的高阶模,以及如何降低高阶模对毫米波同轴连接器 电气性能的影响等。通过理论分析计算得到了绝缘支撑到连接器机械电气参考面最小距离 的计算公式。 【关键词】 毫米波连接器 高阶模 绝缘支撑位置

1 引



毫米波同轴连接器必不可少地要使用绝缘支撑。根据电磁场理论,任何给定尺寸的绝 缘支撑都会激发一定频率的高阶模。毫米波同轴连接器的使用频率接近其空气介质时的上 限截止频率,绝缘支撑激发的高阶模频率往往落在使用频率的范围之内。高阶模的产生表 示传输能量的损耗,反映在同轴连接器上即影响了连接器的电压驻波比,插入损耗,使用 频率范围等电气性能。 绝缘支撑是毫米波同轴连接器的必备零件,但它会产生高阶模。以下的分析可见,激 发高阶模的最高频率仍低于其空气介质时的上限截止频率,即高阶模的传输在空气介质段 呈指数衰减,不可能传输得很远。因此,在设计连接器时,只要保证绝缘支撑距离连接器 的机械电气参考面的距离足够远,就能避免配对连接器绝缘支撑之间可能引起的共振,从 而降低高阶模对毫米波同轴连接器电气性能的影响,提高毫米波同轴连接器的电气性能。

2 绝缘支撑激发高阶模
同轴线中可能激发的高阶模为 TE11 模,本文以 TE01 模为基本,但得出的结果是适用 所有 TE 模的。为了分析方便假定介质或空气的损耗是零或小到可以忽略不计。 同轴线中 TE01 模的电场由下式给出:

Er ? ?C
E? ? jC

??
2

??
Kc

Kc r

· j? · ?K c r ?N 1??K c a ? ? J 1??K c a ?N 1?K c a ?? e ?J

(1) (2)

· j? · 1??K c r ?N 1??K c a ? ? J ??K c a ?N 1??K c r ?? e ?J

式中:C 是常数,ω 是角频率,μ 是磁导率, K c 是特征值,r 是半径,J1 是第一阶第 一类贝塞尔函数,J1′是 J1 的导数,N1 是第一阶第二类贝塞尔函数,N1′是 N1 的导数。 轴向电流密度:

iz ?

Er Z TE

(3)

而 Z TE ? Z ·

?g ?

(4)

310

Z?

j?? ? ? j??

σ ≈0

Z?

? ?

(5)

其中:Z 为媒质波阻抗,ZTE 为 TE 模的波阻抗,ε 为介电常数,σ 为媒质电导率,λ 为真空波长,λ g 为波导波长。 θ θ TE01 模时,式(1)中的 ej 应为 cosθ ,式(2)中的 ej 应为 sinθ ,内外导体之间的电压:

Vm ? ? Er· dr
a

b

(6)

a 为内导体的外半径,b 为外导体的内半径。 轴向正的电流密度:

iz ?

Eb ? cos ? ZTE

轴向正的电流:

Iz ? ? ?2i? ·? d
? 2

?

?

Iz ?

2· b E

?g z· ?

(7)

其中: Eb = E r | r = b 如果绝缘支撑激发高阶模,则绝缘支撑表面谐振,即从绝缘支撑表面向空气介质段看 去的阻抗 Zair,与向绝缘支撑本身看去的 Zbead 共轭。如附图所示。

Z air ?

Vm Vm ? · I z 2 Eb

Z0 ?f ? 1- ? c ? ? f ? ? ?
2

?

Vm · 2 Eb

?0 ?0
?f ? 1? ? c ? ? f ? ? ?
2

当 f c > f 时,Zair 为虚数:

311

Z air ? j

Vm · 2· b E

?0 ?0
?f ? 1? ? c ? ? f ? ? ?
2

(8)

Zbead 应当是一个负虚数,即向绝缘支撑看去等效接一个长为 x 的开路段。 2π χ Z bead =- j· Z m ·ctg( λ g )

Zm ?

? Vm V · ? · g? ? m · Z 2· b E ?? 2· b E

?? ??
1? 1 ? fc ? ? ? ?r ? f ? ? ?
2

(9)

Zair 与 Zbcad 在数值上相等,于是:

? ?

0

0

? fc ? ? ? ?1 ? f ? ? ?
令: ?0 = ?? 得:

2

? 1?

?? ??
1? ? ?r ? ?

? 2?x ? ? · ? ctg 2 ?? ? g? ? ? fc ? ? ? f ?
2

? 2?x ? ?? ctg ? ?? ? g? ? ?

1 ?f ? ? ? r ·1 ? · c ? ?r ? f ? ? ? ? fc ? ? ? ?1 ? f ? ? ?
2

(10)

其中:ε r=

?r 为媒介质的相对介电常数。 ?0

? g? 为介质中的波导波长。
f 为激发高阶模的频率。 fc 为 TE01 模的下限截止频率。
绝缘支撑谐振时,绝缘支撑两个表面均谐振,x 即为绝缘支撑厚度的一半。同理求得 TM 模时:

? 2?x ? ?? ctg? ?? ? g? ? ?

? fc ? ? ? -1 ? f ? ? ?

2

? r ·1 -

1 ? fc ? ? ? ?r ? f ? ? ?

2

(11)

由公式(10)(11)可知, 给定尺寸 x, 介电常数为ε r 的绝缘支撑就会有一个频率为 f 的高
312

阶模与之对应。

3 绝缘支撑轴向位置的确定 由以上分析可知,只有当 f < f c 时,谐振才有可能发生,同时此高阶模在空气介质段
呈指数衰减传输。 对于 TE11 波同轴线可以等效为长边为π (a+b), 短边为(b-a)的矩形波导, 高阶模的电场: E=A· e (12) 其中:A 为 E 的振幅值,Γ 为实数,Z 表示绝缘支撑到连接器机械电气参考面的距离。 A 当Γ Z=4 时, E|Γ Ζ =4= -4 =0.018A e 即衰减到 A 的 1.8%,可以认为高阶模已经衰减殆尽,亦即绝缘支撑到参考面的距离 Z 满足 Γ Z=4 时,可以忽略高阶模对毫米波连接器电性能的影响。 对于 TE11 模:
??? z

? 2? ? 103 ? 2 ?? ? ? ? ? ? 0? 0 ? ? (a ? b) ? 4 Z? 2 ? 2? ? 103 ? 2 ? ? ? ? ? 0? 0 ? ? (a ? b) ?

2

(13)

其中:ω 为角频率,μ 0 为真空磁导率,ε 0 为真空介电常数。 例如:K 型连接器 2b=2.92mm,2a=1.27mm,绝缘支撑宽度 2χ =5mm,介电常数ε =2.02,则 f c =45.6GHz,绝缘支撑激发高阶模的最高频率为 f =44.278GHz,则Γ =0.53, r Z=7.5mm

Z ? 2 .6 2b

4 结



毫米波同轴连接器的绝缘支撑距离机械电气参考面的最小间距必须大于连接器外导体 内径的两倍。这个结论在过去设计精密型连接器时已应用过并且得到实践验证,可以预见 在毫米波连接器的结构设计时,它仍然是正确的。 参考文献 [1] 谢处方 林为干著《电磁场与电磁波》 [2] 《微波技术基础》 ,成电二系教研室编; [3] Andrew Aeford. “Hlgher Modes in Insulating Bead”,Microwave Journal,March,1990 P146、 148、154、158

313

K 型 连 接 器 的 研 制
陈肇扬 王新恩 【摘要】 本文简述近年来国外关于毫米波同轴器件的研制动态,着重叙述我所在研制毫 米波同轴连接器过程中,主要考虑的几个问题;设计方案的确定;K 型连接器样品的测试 数据、分析及存在的问题。

一、引言
随着微波技术的不断发展,使同轴元器件向毫米波段迈进,而且,由于同轴本身的性 质,如它尺寸小、重量轻、频带宽、可弯曲、成本低,特别是它的耐用性、可修复性及与 现有较低频率系统的兼容性,使同轴元器件在毫米波段上的应用,具有越来越广阔的前景。 八十年代以来,美国几个主要厂家着手研制毫米波段上应用的同轴元器件。如 Hp 公 司、Amphnol 公司、Omni 公司共同研制出 2.4mm 连接器、转接器、终端负载;Kevlin 公 司研制的 KMC-SL 系列连接器;Wiltron 公司的 K 型连接器、K 型同轴至微带过渡器及外 导体直径为 0.118 英寸的半刚性同轴电缆,在 1989 年的 IEEE-MTT 展览会上,新泽西州 微波研究和开发公司宣布一种带宽为 1~65GHz 的同轴耦合器。据报导,美国的制造商已 开始将同轴元器件的使用频率推向 110GHz。 我们于 1988 年开始研制在毫米波段上应用的同轴连接器及电缆(外导体外径为Φ 3 半 刚性同轴电缆),1990 年 3 月我们将研制出的试样送交航天部计量所进行电压驻波比测试, 其性能与美国进口的同类产品相当。下面我们主要阐述 K 型连接器的研制情况。

二、研制过程中着重考虑的几个问题
1、 K 型与 SMA 兼容时,截止频率问题 由于本课题是为国家某重点工程配套而研制的,用户提出毫米波段上应用的同轴连接 器须与 SMA 兼容,这说明连接形式和头部配合尺寸必须与 SMA 一样。众所周知,SMA 连接器的最高使用频率只能到 24GHz,因为理论上的 TE11 模发生在 25GHz。于是,K 型连 接器就不能简单地采用 SMA 的内、外导体尺寸及介质支撑过渡段。所以,在设计时,首 先要考虑连接器的截止频率问题。此截止频率通常规定为在同轴线的空气介质段中,可能 传播的 TE11 模(高于 TEM 模的第一个高次模)时的频率, 根据截止频率的估算公式λ c=(D+d) π×

? 0 /2(D、d 分别为外导体内径,内导体外径、ε 0 为空气的介电常数)可反推出连接

器的内、外导体尺寸,使所设计的连接器能满足使用频率范围的要求。 2、 介质支撑和过渡段的考虑 目前,聚四氟乙烯(F4)是射频同轴连接器中常用的介质支撑材料,但是,对 K 型连接 器来说,由于截止频率的限制至少到 40GHz,其介质支撑的厚度 l (或称轴向上的长度)就 受到较大的限制。我们知道,在连接器中,只有当介质支撑的有效电长度相当短,使得不 发生 TE11 模谐振,那末,TEM 模和 TE11 模之间的相互作用是微弱的。根据“雷达设计手 册”给出的经验公式,可估算出介质支撑的厚度 l 是相当薄的,若用 F4 料来支撑,其机械 强度是不够的。因此,必须考虑选用其他的介质支撑材料。在选择时,除考虑其介电常数、 损耗外,还必须考虑到介质材料的冷流、抗压强度、热膨胀等性能。 同样,要研制良好电气性能的连接器,对过渡段的设计也是相当重要的。一般地说, 精密的同轴连接器是不能由除空气外的其他介质做成的,所以,对 K 型连接器来说,不但
314

要考虑到连接器中必不可少的介质支撑过渡段所产生的不连续电容的补偿问题,还必须在 配合过渡段上应用空气介质,这样,才可能直至 40GHz 时有良好的电气性能。 3、 同轴连接器的磨损和损伤问题 对于同轴连接器而言,其磨损和损伤主要是由于四个原因引起的。(1)重复连接;(2) 超力矩连接;(3)非轴向连接;(4)配接时的转动。而插孔的设计最强烈地影响着连接器的磨 损特性和抗乱用能力。所以,一个耐磨损的插孔应该是接触面积大,接触压力小的。倘若 插孔的弹性片所受的力超过它的形变极限值时,它们就不能恢复到原来的状态,也就是说, 永久性损坏了。故此,在设计连接器时,要尽量设法保证配接的轴向性,以使中心导体不 易受到损伤。另外,当连接器重复配接时,配接处的外导体壁厚要是过薄,那么,外导体 就容易变形,为了减少这类损伤,设计时还必须注意到外导体的壁厚,以增加其配接时的 接触面积,提高抗损坏能力。 4、 零件的加工工艺问题 鉴于上述的考虑,对连接器的零件加工问题,还必须从效率、经济、设备的加工能力 等几个方面予以综合考虑。比如,电镀工艺的考虑,镀层的平滑性、镀层的厚度和接触电 阻等,都对电镀提出一定的要求,平滑表面的镀层内的气孔率最低,而且还有抗粘附磨损 和抗擦伤磨损的作用,一句话,镀层的物理性能直接受到电镀工艺的影响。再如,插孔的 形状、劈槽个数及槽宽等在加工上也是一个十分讲究的问题。另外,要使在绝缘支撑上的 反射尽可能地减少,对其表面的光洁度、电气补偿方法和尺寸的控制都应在加工工艺上加 以保证。总之,在设计连接器的同时,就必须对其所有的零件加工工艺加以综合考虑,这 样才能获得最佳的连接器。

三、设计方案的确定
1、 内、外导体尺寸的确定 对 K 型插座连接器而言,由于 SMA 型插针连接器中心导体配合后的直径为 0.9,则我 们选定 K 型插座连接器的中心导体直径 d=1.27(与 SMA 型一样) 若采用空气介质,则利用传输线特性阻抗公式,可算出 K 型插座连接器外导体内径 D=2.92。 利用截止频率的计算公式,从理论上验证一下,此内、外导体尺寸的选定是否合理。

?C ?

D?d ·· ? 0 ? 2
d=1.27 f c 为截止频率

ε

0 为空气的介电常数

D=2.92 ?C =6.58

f c =c/ ?c = 45.6(GHz)

c 为光速

对 K 型插针连接器而言,由于考虑到 K 型连接器是配接Φ 3 半刚性同轴电缆的,电缆 的内导体直接与连接器的内导体焊接,倘若插针的直径仍选取配合段的直径(Φ 0.9),显然 是不行的,于是,我们选取插针的直径为Φ 1.1,配合段的直径为Φ 0.9,如图 1 所示。

315

图 1 插针示意图 仍利用传输线的特性阻抗公式可计算出外导体的内径为Φ 2.5。仍从理论上验证其截止 频率可达 53 GHz。 2、 插针的选择 上面虽然已确定插针的直径,但为了减少由于插针和插孔的非直线性连接所引起的连 接器损伤和失效,我们将 K 型连接器的插针在配合段(即Φ 0.9)长度做得比 SMA 型短一点, 这样,在中心导体完全配接之前,外导体就可以合适地对准,避免了插针与插孔的非直线 性配接而引起的损伤。 3、 插孔的选择 一般地说, 射频同轴连接器的插孔有以下三种结构形式(1)两槽式(2)四槽式(3)摩擦闭合 接触式。如图 2 所示。

图 2 三种插孔结构形式 一个耐磨损的插孔,要求接触面积大,接触压力小。从上面三种类型的插孔比较:四 槽插孔比二槽插孔较少受非直线性配接引起的损伤。第一种最易损伤,第三种最少损伤, 考虑到第三种插孔加工难度大,成本高。于是,我们采用第二种结构形式,槽宽选 0.10, 槽长选取 2。 比较一下 K 型插孔与 SMA 型插孔,其开槽情况对特性阻抗 Z 的影响。 W K 型插孔, 开槽数 N=4, 槽宽 W=0.10, 外径 d=1.27, 则△ZK=1.25· ( )2%=0.03%。 N· d
316

SMA 型 插 孔 , 开 槽 数 N=2 , 槽 宽 W=0.20 , 外 径 d=1.27 , 则 △ W ZSMA=1.25·N·( )2%=0.06%。 d 这说明 K 型插孔结构的选取优于 SMA 型。 4、 介质过渡段的选择 研制低反射的射频同轴连接器,重要的是采用低介电常数和低损耗的绝缘材料。鉴于 本文第二部分中对绝缘介质材料的考虑,我们选用上海塑料研究所研制的加强“PPO”材 料,复合介质支撑结构如图 3 所示,其目的是为了降低绝缘介质材料的固有介电常数。

图 3 支撑结构示意图 V孔 利用平板电容的公式可推导出复合结构形式的介电常数ε 合,ε 合=ε -(ε -1) ε V 为介质材料固有的介电常数;V 为绝缘支撑的总体积;V 孔为挖出六个小孔的体积 若使ε 合=2,则利用上述公式可推算出六个小孔的大小。 根据《雷达设计手册》给出的经验公式,可计算出绝缘支撑的厚度 l,l≤λ c/4,选取 l=1.5,这样,既保证足够的机械强度,又可减少甚至避免产生高次模谐振。 当然,连接器的反射是由连接器本身不均匀性(即不连续和偏离阻抗)引起的,反射矢 量总和就在连接器前面的传输线内产生驻波,所以,为使由于绝缘支撑所引起的不连续性 在 0~40GHz 范围内得到适当的补偿,我们采用共面补偿的方法,此法是常用的方法,在 此不赘述。

四、电压驻波比数据及分析
1990 年 3 月,我们将 K 型连接器试样,送交航天部计量站测试,并与美国进口的同类 产品进行对比,将测试的电压驻波比数据,绘制成曲线形式,如图 4 所示。

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从对比曲线中可以看出,两根曲线均在 S=1.07+0.01f 以下,试样的曲线在高频端并没 有明显地向上翘的趋势,整体看,性能还是可以的。说明介质材料及结构形式的设计是可 行的。当然,性能还不十分理想,仍有许多工作要做。

五、存在问题
通过数据分析,存在的主要问题是:绝缘支撑是用棒料车制而成,其表面光洁度,六 小孔的一致性及对称性、共面补偿尺寸的控制等都与设计要求有一定距离,若用模压成型 就可以加以克服或改善。另外,插孔工艺上也有改进之处,如槽的对称性、镀层的光洁度 等。总之,我们相信,改进一些零件的加工工艺,所研制的 K 型连接器性能就一定可以得 到提高。 参考文献
[1] 《同轴式 TEM 模通用无源器件》郑兆翁编著 [2] 广告 [3] Sexless connectors mate to 40 GHz “Microwave & RF”June 1985 人民邮电出版社出版。1983.4 New “Connector”and Semirigid Cable Extend the Use of Coax Above 40GHz 1983rh “wiltron”样本

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超小型毫米波同轴连接器研制与发展
吴秉钧 【摘要】 本文介绍了目前国外超小型毫米波同轴连接器中性能比较好的 HP 公司的 2.4mm 和 WILTRON 公司的 K 型两种毫米波同轴连接器。对它们的主要特点、结构形式分别作了 分析介绍,并给出了我们自行研制的 K 型半刚性电缆接头在 HP8510B 毫米波网络分析仪 上测试的性能指标。 【关键词】 毫米波同轴连接器

一、引



毫米波系统方向性好、天线增益高、体积小、重量轻,与红外线及光波相比,在恶劣 天气条件下有良好的穿透力,因而在军事和民用两方面都有广泛用途。 由于毫米波技术有着独特的优点,它为解决过去无法解决的问题提供了有效的手段, 加之毫米波技术主要用于军事领域,因而各国都十分重视毫米波技术的研究,并将发展毫 米波技术看成是国防现代化的一项战略问题。 近年来国外毫米波技术在同轴方面的研究取得了许多新的进展,各种超小型毫米波连 接器相继研制成功,如美国 WILTRON 公司推出频率上限为 46GHz 的 K 连接器系列,HP 公司推出频率上限为 52GHz 2.4mm 连接器,KAVLIN 公司推出的频率上限为 50GHz 的 1.9mm 连接器, 以及 OMNI 公司的 OSSM 连接器等, 具有优良性能的毫米波连接器的问世, 大大促进了毫米波同轴器件和毫米波集成电路的应用和发展,尽管目前国外超小型连接器 品种较多,而以前推出的连接器都不同程度存在一些缺点,有些连接器频率不够高,如 OSSM 连接器的频率上限为 38GHz、APC3.5 连接器频率上限仅 34GHz,而且成本太高, 而 1.9mm 连接器虽然频率上限达 50GHz 但可靠性较差,且不能与 SMA 和 APC3.5 连接器 兼容,因为没有一个仪器输出接头能与其相连,所以不便于测试。 多年来广大微波工程师们期望着具有优异性能的超小型毫米波接头的诞生,从目前国 际上看以 HP 公司推出的 2.4mm 连接器具有最佳的电性能,极好的重复性和高的可靠性, WILTRON 公司的 K 型连接器也具有较佳的电性能,所以这两种连接器已成为当前最有发 展前途的毫米波连接器。

二、新型连接器的设计目标
究竟什么问题限制了毫米波连接器的进一步改进呢?美国一些专家认为,因为以前推 出的大部分毫米波连接器大都是在 SMA 连接器设计基础上发展起来的,在扩展频率的同 时保持与 SMA 连接器兼容,以便使广大用户更易认可,然而,正是这一要求限制了许多 性能的进一步改善,如 SMA 连接器界面充满聚四氟乙烯,而聚四氟乙烯零件尺寸稳定性 差。温度变化使界面间隙变化,从而使连接器电性能变差,SMA 同轴线的截止频率约 27GHz,因此工作频率最高只能是 27GHz。美国 HP 公司推出了一种新的 2.4mm 连接器, 完全摆脱了目前正广泛应用的 SMA 连接器的限制,而确定了以下主要目标: 1. 到 50GHz 时不产生高次模; 2. 到 50GHz 应具有高性能的界面; 3. 耐用性,重复性好,并且抗损坏性好;
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4. 性能应优于目前广泛应用的 SMA 连接器而与 APC3.5 连接器水平相当; 5. 与 APC3.5 连接器具有同样严格的公差; 6. 与现有的连接器相比,在价格上应有竞争力; 7. 在正常操作时,不损坏插孔接触件; 8. 采用公制设计。 美国 WILTRON 公司的 K 连接器具有良好的电性能,在 DC~46GHz 频率范围内回波 损耗≥20dB 其主要特点如下: 1. 在 46GHz 以下有优良的电性能,而在 18GHz 以下电性能则优于 SMA 连接器; 2. 与现有的 SMA 和 APC3.5 连接器在电和机械性能上兼容; 3. 装配技术与 SMA 接头相类似,并研制了装配工具和夹具; 4. 高的工作可靠性; 5. 可用现成的毫米波网络分析仪全面测试反射和传输特性参数; 6. 价格便宜。

三、2.4mm、K 型连接器性能简介
2.4mm 和 K 型连接器是目前国际上性能较好,应用较广的两种超小型毫米波连接器, 各具特色,现将两种连接器性能特点分别作一简介。 1、 2.4mm 连接器 在 2.4mm 连接器研制时,考虑到为了满足器件,仪器和标准对连接器的不同需要,将 2.4mm 连接器按精度分为三级,即产品级、仪器级(测试级)和计量级,而且每一个级达到 各自的电性能、机械公差、工艺性及价格之间的均衡,这三级连接器相互间可以连接。 (1)产品级 适用于元件,同轴电缆、微带电路等,通常对三个等级连接器同样要求精密性、坚固 性和耐用性, 而该级连接器更着重于强调经济性和装配简单而价格和尺寸精度要求与 SMA 连接器差不多,我们可以把它看作 SMA 连接器在 50GHz 时的替代品,但它比 SMA 连接 器更坚固耐用、重复性更好。 (2)仪器级(测试级) 主要用于精密仪器和测试设备,经过多次连接和断开(插拔)仍保持高性能是极其重要 的,其价格和加工精度要求类似于 APC3.5 连接器,可把它看作是 APC3.5 在 50GHz 时的 变型。 (3)计量级 该连接器应用于计量标准,具有极高的尺寸精度,而其稳定性是极其重要的,这个级 的主要特点是直接示踪国家的测量标准,其插座接触件是无槽的,以保证阻抗不变,尺寸 加工精度亦处于目前最高工艺水平,计量级 2.4mm 连接器将成为 APC-7 连接器在 50GHz 的模拟品。 2.4mm 连接器的一个主要目标是在 DC~50GHz 整个频率范围内具有良好的电性能, 而不只是在 50GHz 时有宽的频率复盖范围, 所以对于需要宽带连接器的用户是至关重要的, 图 1 给出了仪器级 2.4mm 连接器界面尺寸。

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图 1 2.4mm 连接器仪器级界面尺寸 图 2a 表示 SMA、 APC3.5、 型和 2.4mm 连接器对的典型回波损耗, SMA、 K 与 APC3.5 和 K 型连接器相比,2.4mm 连接器无论在 18GHz 以上和以下的频带内,性能都非常好, 图 2b 表示 2.4mm 连接器不同组合的性能,与 APC3.5 连接器相比 2.4mm 测试级连接器性 能是非常好的,表 1 示出了各个等级 2.4mm 连接器对的回波损耗。

a

SMA,APC3.5,K 和 2.4mm 连接器回波损耗

b

2.4mm 产品级,测试级,计量级连接器对 回波损耗

图2 表 1 2.4mm 连接器对的回波损耗值
频率 GHz 18 26.5 50 产品级 dB >26 >24 >18 仪器级(测试级) dB >36 >32 >26 计量级 dB >42 >36 >32

除了应具有良好的回波损耗外,重复性也受到相当的关注,对于产品级 2.4mm 连接器
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的设计指标优于 40 dB,对于测试级优于 44 dB,对于计量级则优于 50dB。 2、 K 型连接器 K 型毫米波同轴连接器,是美国 WILTRON 公司在总结各种毫米波同轴连接器的经验 基础上推出的一种新型的毫米波同轴连接器,在 DC~46GHz 频率范围内,不仅具有极好 的电性能,同时能与目前广泛应用的 SMA 连接器兼容,因而它已成为目前国际上最有发 展前途的超小型毫米波同轴连接器之一。 它的突出特点是有优良的微带同轴过渡装置;与 SMA 相兼容;完整的可测性和极高 的可靠性。 (1)优良的同轴—微带转换 K 型连接器系列的核心是从同轴到微带电路的过渡,使过渡不存在电气和机械阻尼的 关键是同轴一微带转换连接器中的玻璃绝缘支撑(图 3)。

图 3 K 连接器玻璃绝缘支撑 绝缘支撑由粒状 7070 玻璃制成,绝缘子的卓越设计旨在使 K 型同轴—微带转换连接 器的性能最佳,设计还可提供可焊绝缘子以达到全密封,而且中心导体不必像 SMA 连接 器那样用环氧树脂销固定,因而消除了 RF 泄漏的通路,K 型同轴一微带转换连接器在不 要拆下绝缘子的情况下卸下来修理,同时微带电路不会受到由于焊接加热时所引入的附加 应力。 (2)高的工作可靠性 由于 K 型连接器的插孔开四个槽,弹性好,插入力只 0.5 磅(而 SMA 连接器插入力为 3 磅),所以内导体磨损大大降低,可靠性约提高 12 倍。K 连接器外导体壁厚比 SMA 连接 器外导体厚 4 倍。这样,插入力减小,壁厚增加使之提供连接可靠性比典型的 SMA 连接 器至少高 30 倍。 (3)低的装配成本 由于 K 连接器系列有整套装配工具和夹具,使装配很容易完成,而且保证了连接器的 装配精度。 我们于 89 年即开展了 K 型超小型毫米波连接器和 8mm 波导——同轴转换连接器的研 制,所研制的 K 型半刚性电缆连接器在美国 HP8510B 毫米波网络分析仪上测试其主要指 标,电压驻波比在 26.5~40GHz 频率范围内小于 1.5,电缆损耗小于 1.4dB/英尺,8mm 波 导一同轴转换在 26.5~40GHz 频率内其电压驻波比 VSWR≤2,下一步我们将对现有产品 改进提高,并将开展 K 型毫米波同轴到微带转换连接器的研制工作,以适应毫米波技术迅 猛发展的需要。
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四、毫米波连接器的应用前景
在对三个等级 2.4mm 连接器进行长期测试之后,得到了满意的测试结果,2.4mm 连接 器已被证明具有较好的性能而价格又较为低廉,据报导,它将最终取代现已广泛应用的 SMA 连接器,即使在较低频率也是如此,就仪器或器件制造厂而言,他们从此可以得到性 能优良价格便宜的连接器,并且可以利用高性能的同一种连接器(计量级连接器)对所采用 的连接器进行全部误差校正,计量级连接器的性能,借助于一定的尺寸公差和无槽的插座 接触件(这将保证恒定的阻抗与相配的插头连接器插针直径无关)它完全达到美国国家标准 局示踪的性能标准,至此 2.4mm 连接器达到了预定的全部设计目标,这是一种全新的连接 器,它无需与 SMA 连接器兼容,从而使坚固耐用性、重复性和性能方面都有很大改善。 值得指出的是由于 K 型连接器在宽频带内有良好的电性能外,同时它还能与目前广泛 应用的 SMA 连接器在机械和电性能上兼容,因此 K 型连接器有着极大的实用价值,也将 成为具有发展前途的超小型毫米波同轴连接器之一。 随着频率向更高频段扩展,美国 WILTRON 公司近年来又推出了工作频段为 DC~ 65GHz 的 V 型系列连接器。

五、结束语
通过上面讨论,我们可以看到,随着毫米波技术广泛应用和迅猛发展,目前国际上已 出现毫米波波导系统逐步被同轴系统取代的技术发展新趋势,以 2.4mm、K 型为代表的具 有优良性能的毫米波连接器将逐步取代现已广泛应用的 SMA 连接器,同时为了进一步改 善性能,国外近年来研制出无槽插孔连接器的新颖结构,从而保证恒定的阻抗,进一步提 高了同轴系统的精度。在提高性能的同时,目前国际上特别注意不断改进提高接插件的重 复性和可靠性。对高性能连接器涂复仍广泛使用镀金,但为提高连接器耐磨性和寿命,国 外广泛使用金合金镀层,一些具有优良性能的新型金合金镀层如 Au—Fe,Au—Co 等镀层 得到了广泛的应用,对连接器精密零件加工,目前国外普遍应用小型加工中心,不仅提高 生产率,而且保证了小型零件加工精度。所以加速毫米波同轴连接器的研究对推动毫米波 技术的发展和应用,对加速我国国防事业的发展都具有重要意义。今后,我们还要不断采 用新工艺、新材料、新技术,为我国连接器产品开拓更广阔的市场。 参考文献 1 Palo Aito CA “2.4mm 50GHz Coaxial Connectors” 《MICROWAVE JOURNAL》 MAY 1986 P359 2 Merrimack NH “2.4mm Connectors” 《 MICROWAVE JOURNAL 》 MAY 1986 P361

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国外毫米波同轴连接器 的发展状况和结构设计特点
李明德

1 毫米波同轴连接器的发展状况
1.1 概述 射频同轴连接器主要是在第二次世界大战期间发展起来的。从第二次世界大战末到六 十年代初,在此期间射频同轴连接器没有重大变化和改进。随着科学技术的发展,从六十 年代初到七十年代末,各国致力于拓宽频带、提高精度和精密同轴连接器的开发和研究工 作。到了八十年代,随着世界性的毫米波热潮的兴起,使用频率的提高和军用设备的小型 化、轻量化和满足测试仪器的使用要求,毫米波同轴连接器也倍受重视并得到大力发展。 毫米波技术的发展,是以应用技术为推动力,以产生和放大讯号的有源器件和以传输 信号的无源器件为条件的。传输毫米波信号的无源器件主要有毫米波传输线及其视为传输 线一部分的连接器以及其它毫米波元件。 作为毫米波传输线主要有:波导、半硬同轴电缆、软同轴电缆、微带线和作为传输线 一部分的毫米波同轴连接器。目前,工作在 60GHz 的同轴产品的数目仍然有限,主要是以 军事应用为目的的战场定向通讯导弹终端控制系统和短距离雷达以及工作在这个频段的测 试仪器的同轴系统。而普遍的大量的用在 60GHz 工作的主要是半硬同轴电缆和波导。我国 目前已开发的工作在 8mm 和 3mm 的毫米波元件也主要是波导。 但是,由于毫米波同轴连接器和半硬同轴电缆的方便配接与波导系统比较更易实现小 型化、轻量化的军事需要,便于星载和机载;在大规模、超大规模集成电路迅速发展,微 带电路更多地应用在毫米波波段的今天,毫米波同轴连接器比波导更易实现与微带电路、 集成天线的对接和转接;毫米波同轴系统比波导系统能提供更宽的频带供使用的优势,更 能适应电子侦察、电子对抗需要宽频带的要求;再加上毫米波同轴连接器系统与波导系统 相比的低成本,使得近年来世界各国更加重视毫米波同轴系统的发展。 随着毫米波技术的发展和毫米波同轴电缆的相继研制成功,毫米波同轴连接器在军事 和测试仪器方面得到广泛应用。 目前已从 60GHz 扩展到 110GHz, 并可有效地工作。 2.4mm 在 同轴连接器工作在 50GHz 成为事实时,美国 Aphenol 公司在其 1989 年的产品样本上就提 出: “在近代科学技术的发展中,在到 50GHz 的应用中,可以用 Apc-2.4mm 精密空气线连 接器代替那昂贵的、笨重的波导元件。 同年,在美国出版的微波与射频 ” (Microwaves&RF)1989 年 4 月号杂志上,也刊出了文章: “在 V 波段,同轴技术的应用向波 导元件提出了挑战——电缆和连接器正在进入曾经是由波导元件独占的领域” ,在我国,有 的专家也著文指出: “一种新的技术发展趋势——毫米波波导系统将被宽带同轴系统所代 替” 。文章说: “我国在毫米波同轴技术领域的发展比较落后,就在发达国家积极研究和研 制毫米波波导器件的时候,我们也失去了 Ka 波段(26.5~40GHz)、Q 波段(33~50GHz)、u 波段(40~60GHz)波导在美国的市场。我们应将毫米波波导转向同轴系统的各种转接接头, 并加快毫米波同轴器件研制开发计划,以迎接国内外市场的竞争” 。 1.2 发展状况 毫米波同轴连接器大都是在早期的 SMA 型射频同轴连接器的基础上发展起来的。为 了克服 SMA 型连接器的三个缺点:它不是精密连接器,不能运用于测试设备和用做检验
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标准;它的设计耐久性差,不适应大量重复使用,薄壁的外导体和两槽的阴性接触件使其 易受磨损和损伤;使用频率低,SMA 最高能应用到 24GHz,不能满足更高使用频率的要 求。若干生产厂家发展了与 SMA 兼容的连接器,做为对 SMA 连接器的补充。Wiltron 公 司为测试 SMA 元件而设计制造了 WSMA 型精密连接器, Amphenol 公司研制了与 SMA 兼 容的 APC-3.5mm 精密同轴连接器,Hewlett Packard 公司研制开发了 3.5mm 和计量用的 3.5mm 连接器, Omni/spectra 公司也研制了 OSM 型同类连接器。 这些连接器都拓宽了 SMA 的使用频率,有的可在 34GHz 的频率下工作。这些同轴连接器以不同的设计特点突破了 SMA 的制约,弥补了 SMA 型射频同轴连接器的不足。 到了八十年代,为了满足测试系统的应用,Wiltron 公司的高级工程师 William Oldfield 在 1983 年发明了“K”型连接器,与 SMA 兼容,其工作频率上限达到 46GHz,主要用在 测试仪器、微带电路上并可做为通用元件。此后 Hewlett Packard 公司、Amphenol 公司和 Omni/spectru 公司也相继研制成 2.4mm 精密同轴连接器,工作频率上限可达 50GHz。1989 年 Wiltron 公司的 William Oldfield 又发明了 V 型连接器,与 2.4mm 连接器兼容,外导体内 径为 1.85mm,工作频率上限达 65GHz,此期间,Maury Microwave 公司研制了 2.92mm 连 接器。HP 公司也相继研制出了 1.85mm 连接器。继后又推出了外导体内径为 1mm 的连接 器,把工作频率上限拓宽到目前的同轴系统最高点 110GHz。 为了适应目前新发展起来的精密同轴连接器的需要, 国际电气与电子工程师协会(IEEE) 正在进行把具有近代科技水平的精密同轴连接器编入 IEEE287 标准的工作,其工作范围包 括 14mm、7mm、N 型、3.5mm、K(2.92mm)、2.4mm、1.85mm 和 HP 公司推荐的可工作到 100GHz 的 1mm 连接器。IEEE287 标准 1989 年草案修正版第 I、II 部分 50Ω 空气线的尺寸 和频率范围如表 1: 表1
外导体内径 mm 应用上限频率 GHz TE11 模理论界限 GHz 14.29 8.50 9.5 7.0 18.0 19.4 3.5 33.0 38.8 2.92 40.0 46.50 2.4 50.0 56.5 1.85 65.0 73.30 1.0 110.0 135.7

1.3 品种规格和主要性能 目前国际上从 26.5~110GHz 同轴连接器的品种规格如表 2。 表2
品 种 同类产品 OSM WSMA OSSA apc-3.5 特性阻抗 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 50Ω 频率范围 22~26.5 35 33~34 33 40 46 50 50 65 325 起 源(公司名称)

SMA SSMA 3.5 3.5(计量) 2.92 K(2.92) 2.4 2.4(计量) 1.85

Bendlx M/A-Com Omni Wiltron Omni Hewlett-Packard Amphenol

Helwlett-Packard Maury Microwave Wiltron Hewlett-Packard,.Amphenol Omni-spectron M/A-Com Hewlett-Packard Hewlett-Packard





同类产品

特性阻抗 50Ω 50Ω

频率范围 65 110



源(公司名称)

V(1.85) 1.0

Wewlett-Packard Hewlett-Packard

连接器的连接配合尺寸如表 3。 表3
等级 品 种 产仪计 品器量 级级级 SMA SSMA 3.5 3.5(计量) 2.92 K(2.92) 2.4 2.4(计量) 1.85 V(1.85) 1.0 ×× ×× × × × × ×× × ×× ×× × 4.13 2.88 3.5 〃 2.92 〃 2.400 〃 1.85 〃 1.0 1.520 〃 1.267 〃 1.042 〃 0.803 〃 0.434 1/4″-36UNS 10-36UNS 1/4″-36UNS 〃 〃 〃 M7×0.75 〃 〃 〃 M4×0.7 SMA 3.5 K WSMA OSM SSMA OSSM SMA 3.5 K WSMA OSM 〃 〃 〃 2.4 , 1.85V 〃 〃 〃 1.0 外导体 内 径 内导体 外 径 连接螺纹 配合关系

毫米波连接器的标准化情况如表 4。 表4
IEC169 IEC169-15 SMA IEC169-18 SSMA MIL-C-39012 MIL-C-39012/55~62 79-83、92-94 SMA IEEE287、89 草案修正版第 I、II 部分 3.5 , 2.92 , 2.4 , 1.85 , 1.0

2.4mm 配对连接器回波损耗(dB)如表 6。 表6
频率(GHz) 18 26.5 50 产品级 >26dB >24dB >18dB 仪器级 >36dB >32dB >26dB 计量级 >42dB >36dB >32dB

SMA、APC-3.5、K 和 2.4mm 配对连接器回波损耗曲线如图 1A、2.4mm 连接器不同组合的 回波损耗曲线如图 1B。

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图1 2 毫米波同轴连接器结构设计特点
由于毫米波同轴连接器使用频率高,连接器尺寸小,为了满足其可靠性高可重复性好, 电压驻波比低和降低成本的要求,原来的射频同轴连接器的一些常规结构设计方法难以满 足要求,分析目前国外已研制成功的毫米波同轴连接器的结构,其设计特点如下: 2.1 连接机构的设计特点 射频同轴连接器的连接机构通常有三种形式:卡口式(如:BNC、C、MHV、BNO 等)、 法兰盘式(如 EIA 法兰盘 7/8″、 15/8″、 31/8″、 61/8″等)和螺纹式(如 N、 TNC、 SMA 等)。 毫米波同轴连接器均采用了螺纹式连接机构。 且连接螺纹逐步由英制过渡到公制(见图 2-3)。

图 2 SMA、SSMA 型连接器端面结构图

图 3 3.5mm,2.92mm,K 型,1.85mm,V 型 1.0mm 连接器端面结构图 随着连接器尺寸的越来越小,受到机械加工手段的限制和螺纹的尺寸种类受到限制; 同时为扩大各品种间的使用范围,方便使用,毫米波同轴连接器采用了连接器机构互相兼
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容的设计。如表 3 所列:SMA、3.5、2.92 和 K 型连接器兼容,连接螺纹均为 1/4-36UNS; 2.4mm、1.85mm、和 V 型连接器兼容,连接器螺纹均为公制螺纹 M7×0.75。 2.2 界面结构设计特点 在早期的使用频率较低的一些连接器如: C、SC、 QL、QM、 BNC、TNC、SMA、SMB、 SMC、QSC、QNC、MHV、SSMA、SSMB、SSMC 等的界面结构均采用由固体介质如聚 四氟乙烯充满的界面,如图 2 中的界面结构。而在新发展起来的毫米波同轴连接器中,如 3.5mm、2.92mm、K 型、2.4mm、1.85mm、V 型和 1.0mm 等的界面结构都采用了具有一段 充满空气介质的结构,这样,就提供了一个恒定的不受其它介质影响的标准阻抗段,降低 了毫米波同轴连接器的电压驻波比,并使电气性能稳定,如图 3 所示界面结构。 2.3 内导体的结构设计特点 射频同轴连接器的阴性内导体,通常设计成在端部轴向开槽的形式,做成弹性插孔。 为了提高毫米波同轴连接器的可重复性,提高寿命,不是如 SMA 一样开两槽,而是分布 均匀的开成四槽,使其受力均匀,降低插拔力。如 3.5mm、2.92mm 和 K 型。例 SMA 插入 力为 3.0 磅,K 型连接器仅为 0.5 磅,试验表明 K 型连接器的可重复性超过 SMA 的 3 倍。 针对采用开槽的方法有可能因为阳性内导体的后部与阴性开槽的内导体配合时,往往 增大开槽内导体的直径。使得其性能依赖于开槽内导体的直径,造成性能不稳定,为克服 这些不足,发明了无槽阴性内导体。这种方法首先由 Welnschel,1965 年在阴性 N 型连接 器上使用,使其可在上限频率达 18GHz 时仍能正常工作。后来 Wiltron 公司在它的 WSMA 型连接器的阴性内导体上采用无槽结构,使其使用频率上限达到 26GHz。 2.4 绝缘支撑的结构设计特点 射频同轴连接器的绝缘支撑, 通常选用聚四氟乙烯绝缘材料, 其介电常数为 2.02~2.05; 采用共面补偿结构进行补偿,即在绝缘支撑两侧适当地挖去一部分聚四氟乙烯材料,达到 补偿不连续电容的目的。其具体结构如图 4。在毫米波同轴连接器的绝缘支撑的结构设计 中,为了进一步降低绝缘支撑的有效介电常数,减少固体介质对电压驻波比的影响,采用 了共面补偿与绝缘支撑的内外导体之间开纵向孔相结合的方法。具体结构有以下三种形式 如图 5 所示,以减少固体介质,增大空气介质的有效体积。但由于开孔,降低了绝缘材料 的机械强度,原来的聚四氟乙烯材料难以满足要求,为了增强绝缘支撑的机械强度,选用 改性聚苯醚(PPO)材料,满足了使用要求,如 K 型连接器在其绝缘支撑上开了六个孔,采 用聚苯醚材料。

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2.5 提高可靠性措施 在毫米波同轴连接器中,为了提高连接器的可靠性和可重复性,克服其尺寸小,机械 强度弱的不足,采用了以下几种措施: a、防损坏插孔措施 新发展起来的大多数毫米波连接器系列,都是对原先的 SMA 型连接器设计的扩展, 因而延续了原 SMA 的一些结构设计思想。这样由于 SMA 连接器的公差带比较宽,而毫米 波同轴连接器频率比较高,界面尺寸比较小,两连接器配接时,针孔很难对准,阴性接触 件插孔很容易被插损坏。这种易脆性降低了连接器的可靠性和可重复性。如图 6 所示。

图6 为了解决插针(阳性接触件)、插孔(阴性接触件)对不准的问题,防止损坏插孔。2.4mm 同轴连接器采用公制螺纹,防止与 SMA、3.5mm、APC-3.5 和 K 型连接器误配引起的损坏, 同时每个 2.4mm 连接器外导体相互配合时超过 50%时,使中心导体严格在一条线上,再进 行配接,有效地杜绝了针、孔对不准带来的损坏。K 型 V 型连接器采用的措施是故意的将 K 型 V 型插孔做的比 SMA 短,使得在配接前,中心导体严格地成为一条线后再进行接触, 也有效地防止了损坏插孔。如图 7 所示:

图 7 中心导体严格成一线后再接触 b、提高机械强度,减少插拔力 所有的毫米波同轴连接器都注意了增加机械强度的措施。2.4mm 连接器采用加大壁厚 和扩大接触面积的措施,减小了接触电阻,提高了强度,把配合直径和连接螺纹尺寸选择 到最大,增加了耐久性。K 型连接器不仅采用了加大壁厚,同时采用了减小插拔力,增大 针孔接触面积,使接触压力分布均匀的措施。如标准的 SMA 连接器插入力要求为 3.0 磅, 而 K 型连接器仅为 0.5 磅,K 型连接器的外导体比 SMA 厚 4 倍,这样比较低的插入力,比
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较厚的壁,大大提高了可靠性和可重复性。K 型连接经过 1 万次的插拔,在电气性能上仅 有微不足道的变化。 c、实行最佳过渡 毫米波同轴连接器的重要用途之一是实现微带电路(带线、微带线)与同轴传输线的高 质量过渡连接。 Omni spectra 公司连接器的内导体与微带电路的接触形式上对内导体接线柱 部分的几何结构形式做了许多工作,分别采用了直式、带状线式、塔式等不同形式,以减 小高频影响,方便连接。Wiltron 公司则增设了一个独立的玻璃绝缘子和一个消除应力的接 触焊片,该玻璃绝缘子具有低反射性能,玻璃绝缘子和接触焊片的配合使用,既方便了安 装维修,又防止了因焊接温度升高产生的应力的影响。提高了可靠性和可重复性。 d、选用合适的材料 为了保证足够的强度和耐久性,所有的毫米波同轴连接器所选用的材料,对外壳、 螺母大都选用易切不锈钢材料,内导体均采用经热处理的铍青铜材料镀金,绝缘介质为聚 四氟乙烯(PTFE)或聚苯醚(PPO)。 2.6 国外毫米波同轴连接器的发展特点 国外毫米波同轴连接器的发展,是依赖于整体科技水平的提高而发展的,如测试系统、 半硬同轴电缆、新材料、新工艺和新设备等。以应用为动力的。如一篇文章所阐述的那样: 在六十年代,同轴系统可以工作到 65GHz,如同那时谈自动化和自动纠错一样是无法实现 的。在八十年代,随着使用频率的提高,测试系统和半硬同轴电缆等都已有相当水平的发 展。如在此期间,美国 Wiltron 公司相继开发和研制成功了从 40GHz 到 60GHz 的同轴系统 矢量网络分析仪,从 1MHz 到 40 GHz 的射频和微波标量网络分析仪。从 10MHz 到 60GHz 的扫频合成和扫频信号发生器以及从直流到 60GHz 的测试配套元件。1989 年 1 月 Wiltron 公司宣布,该公司的 360 型矢量网络分析仪已冲破 60GHz 同轴系统的壁垒,在 60GHz 该 仪器的分辨率为 3KHz,幅度分辨率为 0.001dB,相位分辨率为 0.001",时间分辨率为 0.001ns, 系统方向性优于 40 dB (40GHz 时) 34 dB 、 (60GHz 时) 信源反射损耗大于 36 dB , (20GHz 时) 、27 dB(60GHz 时) ,负载反射损耗大于 40 dB(40GHz 时) 、34 dB(60GHz 时),在 60GHz 时系统噪声电平为-99dBm,测量的动态范围为 60dB。系统应用了 V 型连 接器。与此同时,美国还研制了与 K 型连接器配接的 0.118 英寸的半硬同轴电缆,频率范 围为 0~46GHz, 0.085 英寸的半硬同轴电缆与 V 型连接器配接使用, 频率范围为 0~65GHz。 测试系统和半硬同轴电缆的发展为新型毫米波同轴连接器提供了测试手段,创造了有利的 必不可少的条件,同时也为毫米波同轴连接器的应用拓宽了门路。 毫米波同轴连接器的频率的拓宽遵循了大气对毫米波的传播特性。根据多年对大气传 播特性的研究,各国重点测量、研究的频率集中在 35、94、140 和 220 GHz 几个大气窗口 和 60、120、180 和 330GHz 几个吸收峰值区。这几个主要窗口可利用的频带宽分别是 16、 23、26 和 70GHz。根据大气传播特性开发毫米波同轴连接器也符合整机的使用频率要求, 使产品更加具有实用性。

330

毫米波同轴连接器的结构设计
林安义 【摘要】 简述了国外毫米波同轴连接器的发展和现状及毫米波同轴连接器的结构特 点,着重介绍了毫米波同轴连接器的接口及其它主要部件——介质支撑和过渡器所使用的 材料和设计原理,提出了为提高连接器的可靠性、可重复性、机械性能和电气性能应采取 的措施。 【关键词】 同轴连接器 毫米波 结构设计

1 引言
同轴连接器是为适应战争需求在第二次世界大战期间发展起来的。但那时的同轴连接 器不仅尺寸大、频率低、性能差,可靠性也很低。50 年代美国 Bedix 公司设计出了 SMA 连接器,这种连接器尺寸小,价格便宜,并能满足大多数设备对 RF 性能的要求,因此, 很快便成为最广泛使用的连接器之一。但直到 60 年代,同轴连接器并没有重大发展,主要 表现在耐用性和可重复性差,不够精密,工作频率不够高等。 随着微波技术的不断发展,尤其是军用电子设备的发展,电子设备的使用频率越来越 高,已向毫米波方向扩展,迫使各种元件也向毫米波方向发展。由于同轴元件尺寸小、频 带宽、可与低频兼容,加上重量轻、可弯曲、成本低、有利于军用设施的小型化和轻量化, 因此,其在毫米波范围内的应用越来越广泛,目前,国际上已经出现了用同轴系统取代波 导系统的发展趋势。

2 毫米波同轴连接器的发展现状
毫米波同轴连接器是 70 年代末才出现和发展起来的新型连接器品种。进入 80 年代以 来,由于研制、生产毫米波同轴连接器的相关技术(材料、精细加工、电镀和玻璃绝缘子 烧结技术)的发展,美国几家大公司竞相研制、生产出了各种结构形式的毫米波同轴连接 器。1983 年 Wiltron 公司率先推出了外导体内径为 2.92mm 的 K 连接器,其工作频率达 46GHz, 主要用于装备该公司生产的多种毫米波测试设备。 随后, Hewlett-Packard、 Amphenol 和 Omni spectra 三家公司联合研制出一种工作频率达 50GHz 的 2.4mm 连接器。1989 年 Wiltron 生产出了外导体内径仅为 1.85mm、工作频率可达 65GHz 的 V 连接器。目前,美国 市场上可以买到尺寸为 3.5 mm、2.92 mm、2.4 mm 和 1.85mm 的插头和插座连接器。最近 HP 公司已研制成了外导体内径只有 1.0mm 的同轴连接器。把工作频率推到了目前同轴系 统的频率最高点 110GHz。 为适应毫米波同轴连接器迅速发展的需要,国际电气与电子工程师协会(IEEE)已经 把毫米波 同轴连接器编入 IEEE287 标准中。 1 列出了 IEEE 标准 287 表 (1968 年制定) 1989 年修订版中第 Ι、Ⅱ 部分同轴线尺寸(外导体内径)与频率间的关系。表中 3.5~1.0mm 等 五项是修订时才补充的。 表 1 空气介质同轴线尺寸与频率关系
外导体内径/mm 工作频率上限/GHz TE11 模截止频率/GHz 14.29 8.5 9.5 7.0 18.0 19.4 331 3.5 33.0 38.8 2.92 40.0 46.5 2.4 50.0 56.5 1.85 65.0 73.3 1.0 110.0 137.5

表 2 MC50 连接器规范
项 电压额定值 频率额定值 特性阻抗 温度范围 绝缘电阻 接触电阻 耐压 插入损耗 电压驻波比 振动(MIL-STD-202 方法 204,条件 D) 冲击(MIL-STD-202 方法 213,条件 G) 温度冲击(MIL-STD-1344 方法 2004.1,条件 B) 腐蚀(MIL-STD-202 方法 101,条件 B) 防潮(MIL-STD-202 方法 106, 步骤 7b 可省略) 接口或配接面无基底金属暴露,并满足绝缘电阻、接触电 阻和耐压要求 无明显损伤,并满足绝缘电阻、接触电阻和耐压要求 目 500V rms DC~50GHz 50Ω -65~+125℃ ≥10000MΩ ≤2mΩ AC 750V rms,1min ≤0.65 规 范

f (GHz) dB
≤1.13(18~26.5GHz)

≤1.08(DC~18GHz) ≤1.29(26.5~50GHz)

电气中断不超过 1μ s,满足绝缘电阻、接触电阻和耐压要 求 同上 无明显损坏,满足绝缘电阻、接触电阻和耐压要求

毫米波同轴连接器的性能不断改善,目前,毫米波同轴连接器的性能不仅在毫米波段 优良,而且在非毫米波段其性能也超过原有的射频连接器。图 1 示出了 SMA、APC-3.5、 K 和 2.4mm 等四种连接器的回波损耗曲线。从图中可见 K 和 2.4mm 连接器的性能无论在 高频(18GHz 以上)段,还是在低频段都优于 SMA 连接器。表 2 列出的是日本 Murata(村田 制作所)的 MC50 连接器的性能规范。

图 1 四种连接器的回波损耗曲线 目前,毫米波同轴连接器的最高工作频率比相应的截止频率低 10%~15%,随着科学
332

技术和与连接器相关的技术如新材料、新工艺等的进一步发展,人们一定会设计和生产出 更完美的连接器接口和更合理的介质支撑,提高连接器的工作频率,使其逐步接近相应的 截止频率。

3 基本结构
毫米波同轴连接器的结构已经标准化, 一个标准结构的毫米波连接器(图 2)由三个主要 部分组成:连接器接口、介质支撑和后接口(过渡面)。

图 2 毫米波同轴连接器结构示意 毫米波同轴连接器的电气性能、耐用性、可重复性和成本主要取决于这三个部分的尺 寸及结构的合理性。 毫米波同轴连接器的基本功能可能有两个:连接和过渡。连接指的是连接同轴线时阴 性和阳性连接器的配对互连, 一对配接良好的连接器在理论上应形成刚性而无反射的互连; 过渡是指连接器端接微带电路时,除有阴性、阳性连接器的配对互连外,阴性或阳性连接 器的另一端(后接口) ,还要完成与微带电路间的转换(过渡) ,这种转换包括模的变化。 由于应用场合不同,对毫米波同轴连接器的要求也不相同。如对于装入系统前只需连 接几次的连接器来说,可重复性和耐久性比起尺寸和成本来是次要的;仪器、仪表所使用 的连接器要求大量的连接次数,因此,可重复性和耐久性是头等重要的;而作为测试标准 的连接器则要求更优良的性能、更高水平的耐久性和可重复性。为适应不同需求,国际上 把毫米波同轴连接器分为三个等级,即产品级、仪表级和计量级。 产品级适用于设备、电子系统、电缆、微带及传输装置,主要强调经济性和组装简单。 仪表级适用于精密的试验和测量设备,要求经多次插拔后仍能保持高性能。 计量级用作计量标准,要求具有最高的尺寸精度,其公差要求达到目前最高的工艺标 准。 无论哪个等级都必须兼顾电气、机械和物理性能,成本和与另外两个等级的可配接性。 表 3 2.4mm 连接器的回波损耗标准
射频/GHz 18.2 26.5 50.0 回波损耗/dB 产品级 >26 >24 >18 333 仪表级 >36 >32 >26 计量级 >42 >36 >32

三个等级连接器的基本结构和公称尺寸虽然相同,但尺寸精度不同,因而,形成了较 大的性能差异。表 3 列出了 2.4mm 连接器各等级的回波损耗标准。

4 结构设计
毫米波同轴连接器是在射频连接器的基础上发展起来的,尽管它们的设计原理相似, 但由于毫米波连接器使用频率高,尺寸小、精密度要求高,为满足其高可靠和可重复性好、 电气性能优良和成本低的要求,原来适用于射频连接器的一些常规的设计方法已难以满足 要求。现将毫米波同轴连接器三个主要组成部分的结构设计特点论述如下: 4.1 接口的设计 根据微波理论,同轴线的截止频率为:

fc ?

2C0

?(D ? d) ? r

式中, C0 为光速, D、d 分别为同轴线外导体内径和内导体外径, ? r 为介质的介电 常数。 同轴线的特性阻抗 Z 0 =

60

?r 外导体间的介质主要是空气,取 ?r =1,由此可确定内、外导体的尺寸 d 和 D。毫米波同
轴连接器的接口尺寸已经标准化,表 4 列的是 3.5~1.0mm 连接器的接口尺寸标准。 表 4 毫米波同轴连接器的接口尺寸 外导体内径/mm 3.5 2.92 2.4 1.85 1.0 内导体外径/mm 1.520 1.267 1.042 0.803 0.434 连接螺纹 1"/4-36 M7 ? 0.75 M4 ? 0.7 毫米波同轴连接器接口的结构设计具有以下特点(见图 2) : (1) 内、外导体之间除有一薄的固体介质支撑外,均以空气作介质。这样就降低了接 口介质的介电常数,提高了连接器的工作频率。 (2) 连接器的电气基准和机械基准均在配对连接器外导体对接端的结合处。

ln

D ,毫米波同轴连接器的特性阻抗为 Z 0 =50Ω,内、 d

(3) 有性毫米波同轴连接器配对的接触方式与射频连接器如 SMA 相同,即内导体的接 触是通过开槽阴性插孔啮合阳性插针来实现;外导体则主要通过端面对接实现电接触。 (4) 射频连接器的配对连接机构有三种形式:卡口式、法兰连接和螺纹连接。毫米波 连接器尺寸小,为使连接可靠、防止误配,均采用螺纹连接。其中 3.5mm 和 2.92mm 连接 器与 SMA 兼容,采用的是与 SMA 相同的英制螺纹(1"/4-36) 。因为 SMA 不是精密连接 器,其插针公差大、粗糙,这两种连接器与之配接时容易因此而受损坏。2.4mm 和 1.85mm 连接器不具备与 SMA 的兼容性,因此克服了这一缺陷。为防止与上述连接器发生误配而 采用了 M7 ? 0.75 的公制螺纹, 它们之间相互兼容。 1.0mm 连接器尺寸更小, 用的是 M4 ? 0.7 的公制螺纹。不配接时,毫米波连接器的外壳或耦合螺母起着保护内导体的作用。 造成同轴连接器磨损和损坏的主要原因是:① 反复连接的磨损;② 过扭矩连接;③ 配对 时插针插孔的轴线不重合,即非轴向连接引起的损坏;④ 配接时的转动。同轴连接器的耐
334

磨性、可重复性和抗滥用能力主要取决于内、外导体的结构,而内插孔结构的合理性又是 关键。常用的内插孔的结构形式有三种:两槽式、四槽式和磨擦闭合式(图 3) 。

图 3 插孔的结构形式 SMA 连接器采用的是两槽式结构,这种形式针与孔的接触面积小,压力大,插拔力达 13.34N,扭矩为 0.90N·m,因此易受磨损和损坏。 毫米波同轴连接器一般采用 4 槽式插孔,这种结构与两槽式相比,接触面积大,接触 压力减小。如 K 连接器用了这种结构,插拔力仅 2.2N,可靠性比 SMA 提高 12 陪,因开槽 引起的阻抗误差也降低了 50%。 开槽插孔有共同的缺陷,这就是: ① 与插针配接时,它的尺寸精度受插针尺寸精度的影响,配接后尺寸往往增大而使电 性能变坏; ② 开槽还会引起由下式确定的阻抗误差:

?Z 0 N ? W ? ? ? ? Z0 8?d ? 式中, N 为开槽数, W 为槽宽, d 为外径。
2

由于上述原因,对于性能稳定性、可重复性和阻抗精度要求特别高的连接器(如计量 级) ,用开槽插孔就很难满足要求,为此,采用一种无槽插孔(图 4) 。这种插孔是在一无 槽管内套一摩擦闭合接触体,图中 A 为摩擦闭合接触体与插针的接触区,B 为无槽管与摩 擦闭合接触体的接触区,B 处的压力来自于其后部的弹簧。

335

图 4 无槽插孔的结构 连接器配接时,插针与插孔的轴线不重合也会损坏开槽插孔的接触爪而使接触失效。 为防止插针和插孔的对不准,除工艺上尽量保证配对连接器的同心度外,通常把阳性插针 设计得短一些,使外导体在插针和插孔接触前预先配接,且预配长度超过 50%,以确保中 心导体的预先对准(图 5) 。

图 5 毫米波连接器的配接 毫米波同轴连接器尺寸小,又要反复配接,为增强其耐久性和可重复性,一般总是把 外导体壁设计得厚一些,如 K 连接器外导体的壁厚是 SMA 的 4 倍。试验证明,由于这一 改善,加上前面所述的插孔采用 4 槽式,K 连接器的可靠性比 SMA 提高 30 倍以上。试验 还表明,K 连接器在插拔一万次后,电气性能没有什么改变。 配接面的污染也是同轴连接器性能不稳定的原因之一,应定期用蘸有异丙烯基酒精的 棉球清洁配合表面。
336

为使毫米波连接器的接触件有足够的强度、耐久性和良好的电接触性能,内插孔还要 求有足够的弹性,对所用材料性能也有特殊要求。外壳和螺母一般选用强度较高的耐腐蚀 易切削不锈钢,并经完全除锈的钝化处理。这样既保证了其尺寸精度,又降低了接触电阻 和成本。中心导体接触面积小,且是滑动零件,应选用铍青铜,经热处理并镀金。要求镀 层均匀,电镀前后均应保证良好的尺寸精度。 4.2 介质支撑的结构设计 毫米波同轴连接器接口用空气作介质,以适应毫米波段的工作。为保证内、外导体的 同心,在内外导体之间装有一片薄的固体介质支撑。支撑必须选择那些介电常数低、有足 够机械强度和热膨胀系数小的材料,目前常用的有特氟隆、聚 4-甲基戊烯(TPX) 、聚苯醚 (PPO)和陶瓷等。 同轴连接器的接口如果用介电常数为 ? 的材料作介质,它的最高工作频率为 f c /

?

( f c 为空气作介质时的截止频率) 。减少固体介质的厚度 L 便可以提高工作频率,当 L 很 小时,工作频率便接近 f c 。为提高工作频率,应尽可能缩小 L,即缩短支撑厚度。但若支 撑太薄,一是难以保证稳固支撑,再则支撑材料的强度也不能满足要求。同轴线介质支撑 厚度可由下式确定:

Cot(

2?x

?g?

)=

? 1 f 1 ? ( c )2 ?0 ? f
( fc 2 ) ?1 f

止频率和最高工作频率, ?ge 为介质的波导波长。

式中,2x 为支撑厚度, ? 、 ? 0 分别为固体介质和空气的介电常数, f c 、 f 分别为截 从上式可以看出,连接器接口尺寸 D 一定( f c 确定) ,介质支撑厚度 2x 只与 f 和 ? 有

关, 。图 6 是根据该式画出的 7mm 同轴线的介质支撑厚度与 f 、 ? 之间的关系。

图 6 支撑厚度与频率间关系 从图 6 可以看出,在同一频率时, ? 越小,支撑厚度越大。固体介质的介电常数都大
337

于 2, 7mm 空气介质线的截止频率为 19.4GHz, 若按 IEEE 标准 287, 其工作频率应为 18 GHz。 照此,即使取 ? =2,支撑厚度也只有 1.9mm,显然太薄。用介质切割法减少固体介质的体 积、增加接口内空气的体积,便可降低整个介质支撑的 ? ,这是介质支撑设计的第一原则。 此外,为补偿安装绝缘支撑所引起的不连续电容,介质支撑最佳截面的设计采用了能够实 现三维输入的有限元法进行电磁分析。这样设计出来的支撑结构能使失配减至最小,这是 支撑设计的第二个原则。当然还应考虑支撑必须有足够的强度。图 7 示出了根据以上原则 设计的毫米波同轴连接器常用的三种介质支撑结构。

图 7 介质支撑的结构形式 图 7(a)是 Wiltron 公司的 K 连接器用的一种有六个盲孔的介质支撑,Amphenol 公司 的 2.4mm 连接器也使用这种支撑结构,它与射频连接器(如 7mm 连接器)使用的有六个 通孔的支撑相比,强度较高,且可防止污物进入接口内。 图 7(b)是 Radiall 公司 1989 年设计的 2.92mm 连接器使用的一种有四个轮辐的支撑, 它可以把固态聚丙烯支撑的介电常数从 2.29 降到 1.74。 图 7(c)是 Weinschel 公司使用的一种薄陶瓷片做成的类似轮辐结构的支撑 7mm 连接器由于采用了一种有六个通孔的支撑,使聚四氟乙烯支撑的介电常数从 2.04 降到 1.66。这样,工作频率在 18GHz 时,支撑厚度可达到 3.3mm。 配对连接器两绝缘支撑应间隔一定距离。太近,它们之间会相互影响而降低使用频率; 太近则接口支撑不稳,影响同心度。实验证明,两支撑间距离为两倍同轴线公称尺寸时, 它们之间的相互影响十分微弱;距离为三倍同轴线直径时,相互影响可忽略不计。因此, 它们之间的距离一般取外导体内径的三倍左右,即连接器绝缘支撑距配接基准面为公称尺 寸的 1.5 倍左右。 4.3 过渡器(Launcher)的设计准则 如上所述,毫米波同轴连接器可能有两个功能,即连接和过渡。过渡是指连接器后接 口(图 2 中的过渡端)端接微波电路(微带、悬挂基片、介质带状线和共面波导等)时, 所需要完成的功能。 目前完成这一功能较好的方法是采用 Wiltron 公司设计的过渡器。 过渡 器的一端连接连接器的过渡端,另一端则要与非常脆弱的微带相连。而且要实现模的转换。 因此,对它的精度要求很高。 完成这一功能而不损害电气和机械性能的关键是过渡器中的玻璃绝缘支撑。它用介电 常数为 3.9~4.0 的粒状科宁 7070 玻璃烧结而成,其中心穿有一根很细的镀金可伐丝作为中 心导体,外面封有一个镀金可伐环(图 8) 。如 K 连接器用的玻璃绝缘支撑的中心导体直径 仅为 0.305mm,便于与易碎的微带电路连接,适合于与大多数使用杜罗艾德铬合金钢
338

(Duriod)和陶瓷(氧化铝)的微带,如与 0.254mm 厚的铝基片上的 0.254mm 宽的中心导 体相连。其回波损耗在 40GHz 时大于 20dB,18GHz 时大于 25 dB。

(a) K 连接器用

(b) V 连接器用

图 8 玻璃绝缘子的结构 玻璃绝缘支撑加上外壳便可与微波电路形成良好的气密性封接(图 9) ,其漏率小于 -8 1× ml/s。并符合 MIL-C-39012 的环境要求。 10

图 9 玻璃绝缘子与微波电路的连接 毫米波同轴连接器与过渡器之间一般采用螺纹连接(图 10) 。若封装微波电路的外壳 太薄而不能承受连接器的螺纹时,也采用法兰连接的方式(图 11) 。

339

图 10 后接口的螺纹连接

图 11 后接口的法兰连接

无论采用哪种连接方式都具有拆卸和维修方便的优点。 在后接口受损须维修或替换时, 只须拆卸后接口,无须拆卸玻璃绝缘子。这就确保了拆卸时精密的微带电路与玻璃绝缘子 的接口不受扰动,保证了它的密封性。同时,微波电路也不会受因焊接热而产生的附加应 力的影响。

5 结论
毫米波同轴连接器的出现仅十来年时间,但其发展速度十分迅速。目前,国外毫米波 同轴连接器的设计和制造技术已经成熟,尺寸和结构形式基本实现了标准化,其主要结构 特点是: (1) 毫米波同轴连接器的接口以空气作介质,接口内有一薄的固体介质支撑,连接器 的电气和机械基准在配对连接器外导体的结合处。 (2) 毫米波同轴连接器一般为有性连接器,内导体靠开槽插孔与阳性插针啮合来实现 电接触,外导体则主要通过端面对接实现电接触。配接后用螺纹连接阴、阳连接器。 (3) 开槽内插孔的结构极大地影响着连接器的机械和电气性能,毫米波同轴连接器的 内插孔一般开四槽。 (4) 连接器后接口可直接端接同轴电缆,也可通过过渡器端接微波电路。 参考文献
1 2 3 4 5 6 Michishita Kenshi.Millmeter-Bend Coaxial connectors Accommodate High-Frequency Communication.JEE,1992 (2):52~55 Weinschel B.Coaxial Connectors:A Look to the Past and future.MSN,1990 (2):24~31 Wold field William. Comparing Miniature Coaxial Connectors.Microwave&RF,1985 (9):171~174 Alford A.Higher Moodes in Insulating Beads. Microwave J,1990 (3):146,148,154 Connector Design Leadship . Wiltron 样本,1989:93~101 李明德 国外毫米波同轴连接器的发展状况和结构设计特点 340


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