SMP-KK型浮动盲插射频转接器的设计

赵 廷

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)



研究与设计

SMP-KK型浮动盲插射频转接器的设计

赵 廷

(贵州航天电器股份有限公司，贵州贵阳，550009)

本文介绍了SMP-KK型浮动盲插射频转接器的设计，本转接器具有较优的高频性能和机械性能。文章主要从结构设计、补偿设计两方面进行了论述，最后介绍了产品主要技术指标的试验情况。

SMP；射频转接器；结构设计；补偿设计

1 引 言

SMP连接器的应用特征为一板采用SMP固定端连接器(SMP全擒纵或半擒纵插头)，中间是SMP-KK型转接器，另一板端采用SMP活动端连接器(SMP光孔插头)，如图1所示。SMP-KK型转接器在轴向和径向有一定的浮动量，它可以在轴向浮动0.25mm, 径向浮动±4°范围内保持两板间的可靠连接，见图1。

随着科技的快速发展，设备对器件的集成度和性能指标的要求越来越高。由于加工及装配公差的影响，板板间多只SMP同时对接时，不同位置的电器基准面的间距会有较大差别，会出现轴向间距

图1 浮动示意图

过大导致电气性能过差甚至中断的现象，也有可能会出现轴向间距过小使板板对接到位后SMP-KK型转接器损坏的现象。这就需要一款能够轴向浮动的SMP-KK型转接器，以保证对接后电气基准面向贴合，且不会被过渡挤压导致损坏。以下介绍SMP型浮动盲插射频转接器的设计。

2 SMP-KK型浮动盲插射频转接器的技术指标

因原有的SMP-KK型浮动盲插射频转接器使用频率范围较小：DC～6GHz，且浮动前后性能差别较大。为了满足用户使用需求，亟需设计出一款宽频带、低驻波、高可靠的SMP-KK型浮动盲插射频转接器。以下为高性能SMP-KK型浮动盲插射频转接器的典型指标：

(1)工作温度：-65℃～+125℃；

(2)频率范围：DC～18GHz；

(3)电压驻波比≤1.20；

(4)介质耐电压：500Vr.m.s.；

(5)绝缘电阻≥5000MΩ；

(6)啮合力：≤68N(全擒纵)；≤9N(光孔)；

(7)分离力：≥22N(全擒纵)；≤2.2N(光孔)；

(8)轴向浮动量：1mm；

(9)随机振动：功率谱密度0.4G2/Hz，总加速度均值方根值23.9G。

3 产品设计

3.1 总体结构的设计

用户使用要求：两模块上SMP-J电气基准面间距16.5mm，转接器期望长度为16.5mm，轴向浮动量±0.5mm，外形尽可能小，最大外圆不能超过φ4.5mm。

根据用户要求，将总体结构设计为：连接器自由状态初步定为总长17mm，压缩状态总长初步定为16mm。转接器总体结构见图2，主要包含三部分：第一部分是SMP-K端，其界面尺寸符合GJB 5021A标准要求；第二部分是转接器的主要部分--轴向长度浮动部分；第三部分是SMP-K端，界面尺寸同样符合GJB 5021A标准要求。其中浮动部分通过弹簧实现，随着弹簧的伸长或压缩，外导体1和外导体3、内导体1和内导体2可以相对滑动，使连接器的轴向长度变长或缩短。

图2 转接器总体结构

3.1.1 外导体1和外导体3的连接

外导体1和外导体3通过接触簧片实现连接，接触簧片为四槽或六槽，且前端的接触部分设计有凸包，可以使接触更加可靠。接触簧片内有介质体填充，介质体与簧片的配合为局部过盈+局部间隙，这样既可保证内导体1和簧片的同轴度，又不影响簧片的收缩，同时又可避免装配过程中操作不当引起簧片过度收缩失效甚至折断，见图3所示。

图3 外导体1和外导体3的连接

3.1.2 内导体1和内导体2的连接

内导体1和内导体2通过插针与开槽插孔的滑动接触实现连接。其中，内导体1为插针，内导体2为开槽插孔。因开槽数量越多，在相同变形量下，簧片寿命越长，但簧片强度越低，此处内导体2选择寿命和强度均较优的3槽结构，见图4。

图4 内导体1和内导体2的连接

另外，为了保证产品浮动量1mm的要求，而且在转接器自由状态下内导体1和内导体2的可靠连接，插孔深度设计为2.5mm。

3.1.3 浮动部分的结构设计

为了保证转接器在浮动前后的电压驻波比一致性，必须使浮动部分的特性阻抗及错位补偿在浮动前后保持不变。浮动部分的结构见图5。

图5 浮动部分的结构

设计时，将浮动部分L段的特性阻抗设计为50Ω，且L段的长度>转接器的浮动量。这样整个转接器在原理上就等效于一根特性阻抗为50Ω的电缆组件，见图6。在转接器浮动时，只引起阻抗为50Ω的L段的长度变化，从而保证转接器的电压驻波比在浮动前后基本一致。

图6 等效示意图

3.1.4 浮动量的设计

关于浮动量的设计，必须考虑到轴向尺寸的装配公差。若转接器自由状态总长的下限值比板间距的上限值小，在使用时，可能会出现SMP-KK型浮动转接器与SMP针端连接器电器基准面不能贴合的情况，便失去了浮动的意义，即功能失效；若转接器压缩状态下的总长上限值比板间距的下限值大，在使用时，可能会出现转接器被过渡挤压甚至破坏，使产品失效。

3.2 阻抗不连续的补偿

3.2.1 阻抗不连续的影响

射频转接器作为同轴传输线的一部分，要获得宽频带、低驻波的效果，必须使转接器的特性阻抗与传输线相匹配，即必须保证阻抗一定且连续。但由于内外导体相对位置的固定要靠介质支撑、为了实现某些机械功能(如轴向浮动)的结构设计，都会使内外导体直径发生突变。这种突变会激励起同轴型E波高次模，形成阶梯电容，产生反射，影响整个转接器的性能。

3.2.2 补偿设计

内外导体的直径突变引起的不连续引起的反射很大，有研究标明，改变不连续部位附件的结构，可以在相当宽的频段内大大减小反射。为了内外导体直径突变引起的反射作用，可在内外导体直径突变处错位一段距离△(增加一段高阻抗区域)，相当于串联了一段电感，等效电路图，如图7所示。

图7 错位补偿与等效电路示意图

本文中，SMP-KK型浮动转接器的内外导体共有5处突变，见图8。

图8 转接器内外导体的突变

采取的感性补偿均通过错位补偿实现，有研究表明，在D/D'小于3时，△/D'是直径D/D'的函数：

△=(D'/K)·Ln(D/D')

(1)

式中，D、D'分别为变化前后的外导体直径；K是取决于特性阻抗的常数，对于50Ω的传输线，K=3.09。

通过式(1)计算出的 值，有时并不能使转接器获得理想的电性能，此外，由于2、4两处突变未考虑内外导体突变前后绝缘介质的不同，5处补偿均需要通过高频仿真软件对计算结果进行修正。

3.2.3 HFSS仿真

产品转接器的仿真模型见图9。

图9 转接器的仿真模型

将模型设置变量，将通过式(1)计算出的 值进行修正后，将浮动部分设置变量加入，再通过多次修正，转接器浮动1mm范围的电压驻波比仿真结果见图10。

图10 转接器浮动(0～1)mm范围内电压驻波比仿真结果

从仿真结果可以看出转接器在浮动前后电压驻波比变化较小，波形及幅值均能基本保持一致，且在DC～18GHz频段内电压驻波比最大值为1.07，满足使用要求。

3.3 材料

产品中所有弹性零件均选用弹性性能及抗疲劳强度较好的铍青铜材料加工制作。零件在收口或涨口后经时效处理，以加强其弹性，同时硬度、强度也得到提高。绝缘材料则选用高频性能及可加工性优良的聚四氟乙烯。产品刚性壳体的材料可以根据用户使用环境和要求选用不锈钢钝化或铜合金镀金，不锈钢钝化的壳体具有较高的强度和较优的耐恶劣环境性能，铜合金镀金的壳体具有较低的接触电阻，同时可满足一般的耐盐雾要求。本文中的转接器为腔内使用，壳体材料选用铜合金。

4 产品验证

根据以上设计，进行了样品加工，并按标准对样品进行了试验验证。产品实物照片见图11，产品电压驻波比的实际测试波形见图12，随机抽取的10只产品的测试结果见表1。

此外，10只样品经随机振动试验(功率谱密度0.4G2 /Hz，总加速度均值方根值23.9G)。其中，振动夹具板间距实测值为16.82mm。试验未见1μ以上的电气中断；振动过程中，在300KHz～18GHz频段内电压驻波比最大变化<0.05。

因转接器外导体为分体式结构，我们将产品进

行了破坏性拉力测试。其中5只样品测试挡圈的抗拉效果：5只样品均在承受700N左右的拉力时，转接器总长伸长了0.05mm，但转接器仍伸缩自如；挡圈在承受最小830N的拉力时，出现挡圈卡死。另外5只测试簧片与外导体3压配后翻铆的强度：簧片承受最小175N拉力时出现松脱，能够满足与全擒纵插头的插拔要求。

图11 产品实物照片

图12 电压驻波比测试波形图

样品项目1#2#3#4#5#6#7#8#9#10#VSWR自由状态1.151.171.181.171.121.161.191.141.151.17压缩状态1.181.181.201.151.151.161.141.131.141.15

5 结论

通过产品试制及试验验证，证明该产品的设计结构可行，产品高频性能及机械性能指标较优。此外，因该产品适用于板间浮动盲插，对板间距的尺寸公差要求较低，大大降低了模块加工成本，能较好地满足集成度较高的模块间的连接，应用前景广阔。

[1] 郑兆翁.同轴式TEM模通用无源器件.北京:人民邮电出版社,1983.

Design of a SMP Series Floating and Blind-mating Adapter

ZHAO Ting

(Guizhou Space & Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009, China)

This paper describes the design of an SMP-KK series floating and blind-mating adapter which has excellent RF characteristics and mechanical characteristics.The paper mainly describes the design of the structure and the compensation, and describes the experiment of the adapter finally.

SMP, RF adaptor, design of the structure, design of the compensation

2015-09-28

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.003

TN

A

1000-6133(2015)06-0014-05