具有轴向大容差的射频同轴耦合连接器的设计

真 莹

(上海雷迪埃电子有限公司，上海市，200072)



研究与设计

具有轴向大容差的射频同轴耦合连接器的设计

真 莹

(上海雷迪埃电子有限公司，上海市，200072)

本文描述了一种具有轴向+/-4mm大容差N型射频同轴耦合连接器的设计。通过三维电磁场仿真，确定了该设计方法的可行性，以及连接器内部结构和尺寸，达到较好的射频性能要求，并制作了样品进行测试。结果表明，一对连接器在DC-4GHz频带内具有驻波低、插入损耗小、轴向容差大的特点，并且在容差状态下有良好的三阶互调性能。

射频同轴连接器；耦合；轴向容差；射频仿真；N型

1 引言

随着4G通信技术的发展，小型化通信基站需要工作在1.5GHz～3.5GHz频率范围。一方面要求射频同轴连接器的尺寸越来越小。另一方面，基站到天线的连接若采用普通的螺纹拧紧式同轴连接器，操作不方便，且效率低；若采用常规的快插式连接器，容差和互调都不理想。为了解决这一问题，需要研发新的射频连接方式。根据某客户的需求，笔者从2014年开始从事研发该种耦合连接器的可行性工作，并于2015年初制作了样品，测试结果确认了设计思想。

2 设计原理

2.1 单个同轴连接器的设计基本原理

众所周知，同轴连接器实际上是基于同轴线来设计的。其基本结构如图1所示。传输线特征阻抗的设计，截面特性阻抗近似公式为：

式中，Z0-理想同轴线的特征阻抗，单位Ω；D-外导体内经，d-内导体外径；εr-同轴线内填充介质的相对介电常数。

同轴线中电磁场的分布如图2所示。

图1 同轴线示意图

图2 同轴线电磁场分布示意图

在通常情况下，单个连接器按照相应的标准界面进行设计，界面之后的各传输段的特性阻抗尽量设计成50ohm，尽可能保持传输线上一致的特征阻抗，以减少阻抗不连续性。

2.2 耦合同轴连接器对的设计原理

将一对连接器的外导体和中心针的直径设计得略有差别，使得它们能够互插在一起，且能轴向移动。互插的外导体，两者之间有空隙，空隙由薄膜介质填充，也可以是空气；互插的中心针，两者之间有空隙，空隙由薄膜介质填充，也可以是空气，其结构示意图如图3所示。

射频耦合连接器的设计借助于电磁场理论和射频传输线原理，根据同轴线内电磁场的分布，两个中心导体套在一起会产生一个电容。只要电容量足够大，就可将大于某频率的信号耦合过去。但是，耦合长度，也就是互插相叠部分的长度，在理论上对应于中心频率的1/4波长。这就限制了频带。同样两个外导体套在一起也相当于一个电容，它的耦合长度理论上也对应于中心频率的1/4波长，同样只要电容量足够大，就可在对应耦合长度的1/4波长所对应的频率的一定带宽内，将两段同轴线的外导体连为一体，于是改变互插相叠部分的长度，就改变了对应的1/4波长，也就改变了工作频率。

从电路角度直观地来看，其等效电路可以参照图4所示。C1为两个中心针插入处外径的阶梯变化引起的电容。由于外径变化很小，所以，C1很小，对我们设计的工作频段的射频影响较小。C3、 L3分别为两个中心针套在一起引入的电容和电感，构成串联LC电路，在耦合长度对应的1/4λ时串联谐振，射频信号传输通过；C2、 L2分别为两个外腔体互插引入的对地电容和电感，构成并联LC电路， 在耦合长度对应的1/4λ时并联谐振，使射频信号不会泄漏到地。设计让两者的谐振频率几乎相同，因而在工作频段有很好的传输特性。偏离1/4λ带内射频性能变差。1/4λ由耦合长度决定。

图3 一对非接触射频耦合连接器结构示意图

图4 一对非接触射频耦合连接器等效电路图

若空隙采用介质材料，这种连接器还有一个重要的特点就是隔断直流和低频信号。而空气介质很难避免实际连接器两个中心针内外壁不相碰，所以不能很好地隔直流。

2.3 耦合连接器的建模仿真设计

下面着手设计N型耦合连接器对：它们互插在一起，且能在轴向移动，变化耦合长度，保证有轴向容差。一对插合的连接器比单个连接器带来了更大的阻抗不连续性，特别是在不同的轴向容差下，不同的状态对应不同的阻抗。我们采用微波3D电磁场仿真软件CST，建立三维模型，对不同容差进行电磁场仿真和设计。3D模型如图5所示。

仿真设计过程首先将两个N头分别各自尺寸预设计，即中心针各处外经和外导体内经的直径和长度，以及台阶、倒刺变换位置和大小的设计，还有绝缘子长度、支撑绝缘子直径尺寸的设计、介电常数的选取等。对不连续处先作一定补偿，让其本身阻抗匹配，然后将两个N型连接器装配在一起，进行三维结构建模，选取耦合介质，设计初始耦合长度、耦合间隙，再代入前面设计的初始值，设置变量，改变参数，对结构进行整体仿真、调整、优化内部零件结构和尺寸，保证不同的轴向容差状态下的电性能。仿真模型除了考虑电性能指标，还必须考虑可实现性，设计结构要特别注意耦合公差，既能满足射频性能，又可实际加工。

选取三种不同介质，对如下四种方案在容差为

2mm范围内即耦合长度为C和C+2进行了电磁场仿真。

方案1：耦合介质是空气，介电常数近似为1，优点是零件少，缺点是尺寸较长。不能满足小型化的要求，故实际中我们不采用。

方案2：耦合介质是PVC，介电常数较高，优点是耦合长度较短，缺点是PVC温度特性不好。故实际中样品中我们也没有采用。

方案3：耦合介质是PTFE，介电常数为2.08，耦合长度：拉伸状态为14.89mm，压缩状态为16.89mm。优点是温度特性好，长度适中，缺点是比空气介质增加加工难度。拉伸状态对应容差2mm状态，压缩状态对应容差0mm状态。

方案4： 耦合介质是PTFE， 介电常数为2.08， 耦合长度比方案3长2mm耦合长度：拉伸状态为16.89mm，压缩状态为18.89mm。在频带低端驻波比性能比方案3好。但长度增加了。

方案3和方案4的射频回波仿真曲线如图6a～图7b所示。

图5 N型+N型一对耦合连接器3D仿真模型

a 方案3介质为PTFE容差2mm状态

b 方案3介质为PTFE容差0mm状态图6 方案3介质为PTFE N型 + N型一对耦合连接器拉伸与压缩时的仿真回波曲线

a 方案4介质为PTFE容差2mm状态

b 方案4介质为PTFE容差0mm状态图7 方案4 PTFE介质 N型 + N型一对耦合连接器拉伸与压缩时的仿真回波曲线

经过反复优化，最终仿真结果在0容差和2mm容差下1.5～4GHz频带内回波都很好，特别是在2～3GHz频带。方案3和方案4也验证了耦合长度的变化对带内 驻波比及中心频率移动的影响，不是非常敏感，对实际加工有好处。

3 实物及测试结果

3.1 实物照片

a N型 + N型一对耦合连接器互插在一起时

b N型 + N型一对耦合连接器分开时图8 所设计的一对N型耦合连接器元件实物

3.2 样品测试结果

实际制作了N型 + N型耦合连接器对，介质采用PTFE，样品S参数测试结果与仿真结果基本吻合，S参数仿真只做了0mm和2mm，即±1mm容差，实际测试样品在拉开距离L：0.5～8.5mm， 即±4mm容差下，在KEYSIGHT N5227A 网络分析仪上完成，用双端口测得一对耦合连接器的VSWR和插损。PIM3也在±4mm容差下测试，信号2x43dBm@1800MHz，在SUMMITEK无源互调测试仪上完成。实际样品在拉开距离L：0.5～8.5mm性能良好。

VNA测试阶梯(mm)： L: 0.5, 1.5, 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5, 8.5；

PIM3 测试阶梯(mm)： L: 0.5, 1.5, 2.5, 5.5, 8.5。

VNA测试曲线说明: S21扣除了测试转接头的附加插损；S12保留了测试转接头的附加插损。Mark1，Mark7, Mark8 分别为1GHz，3.5GHz和4GHz，其它Mark指示频率如图所示。

S参数：VSWR和插损测试曲线如下：9a～9h。

a 拉开距离L=0.5mm

b 拉开距离L=1.5mm

c 拉开距离L=2.5mm

d 拉开距离L=3.5mm

e 拉开距离L=4.5mm

f 拉开距离L=5.5mm

g 拉开距离L=6.5mm

h 拉开距离L=7.5mm

i 拉开距离L=8.5mm图9 VSWR和插损测试曲线

PIM3测试曲线和数据如图10：

表1 PIM3测试曲线结果的填入值

图10 拉开距离 L=2.5mm状态的PIM3测试曲线

4 结论

设计结果表明，用该种方法设计的连接器在DC-4GHz射频范围内，其性能良好，特别是轴向容差大，有实用价值，可应用于通讯领域的配套产品。

[1] N界面定义标准.

[2] 冯良平等，射频同轴连接器设计要点[J]. 国外电子测量技术，2005.(11).

Design of RF Coaxial Coupling Connector with a Large Coaxial Misalignment

ZHEN Ying

(Shanghai Radiall Electronics Co., Ltd. ，Shanghai，200072)

This paper describes the design of N type RF coupling connector with a large coaxial misalignment of ±4mm，and determines the feasibility of this design solution and this type connector's internal structure and dimensions by 3D electromagnetic field simulation for RF performance achievement. The test results show that a pair of connectors has low VSWR and low insertion loss in DC-4GHz frequency band and good PIM3 in misalignment states.

RF coaxial connector，coupling, coaxial misalignment, RF simulation, N type

2015-09-12

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.001

TN784

A

1000-6133(2015)06-0003-07