一种高性能射频电缆组件的开发模式

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(上海航天科工电器研究院有限公司，上海，200331)

1　引言

SMA型射频同轴连接器具有体积小、频带宽、机械性能优越、可靠性高等优点，是应用最广泛的射频同轴连接器，它大量应用于微波通信、航天航空、武器系统及微波测量等领域。随着我国电子技术和空间技术的发展，整机系统日趋小型化，连接器的安装空间越来越小，对连接器的要求却越来越高。本文所述的SMA-JW3506/JW3506-230射频电缆组件不但能满足系统的使用可靠性要求，并且能够很好满足系统对电压驻波比、插入损耗等的要求。该产品的研制生产，不仅满足客户的需求，而且为研制生产高性能射频电缆组件积累了宝贵的经验。

2　研制过程

2.1　产品主要性能指标

1) 二端连接器为SMA弯头连接器，高度不得超过11.5mm；

2)性能指标：

①频率：DC-18GHz；

②绝缘电阻：≥1000MΩ；

③耐电压：≥500V；

④电压驻波比：VSWR≤1.35；

⑤插入损耗：≤1.2dB；

3)组件长度为230mm，电缆外径不得超过Φ3。

2.2　任务分解

1)根据要求，SMA弯头连接器高度不得高于11.5mm。对行业内现有产品复查，高度达到16mm，不满足要求。必须重新考虑其轴向长度。

2)工作频率达18GHz， VSWR≤1.35。目前，公司没有这种高性能弯头连接器的设计。

3)根据双弯头连接器公式：，可以计算出单个弯头连接器的VSWRmax=1.16，对于弯式连接器而言这是相当苛刻的指标。

2.3　设计思路

1)为满足轴向高度不大于11.5，我们进行了如下2方面的改进。

(1)调整六角螺套的长度，由8.5mm调整到7.5mm；

(2)减少了轴向腔体的长度，有16.5mm缩短至11.5mm；

原SMA-JW系列尺寸图，见图1和SMA-JW3506外形尺寸图，见图2。

2)本课题关键点是在18GHz时， VSWR≤1.35。由于灌胶产品在弯式连接器的使用频率低于18GHz，一般不用于频率在16GHz以上产品的设计。所以在此产品的设计初期，我们没有选择灌胶结构。这样对产品机械性能有一定的影响。为满足设计要求，我们根据自身经验的积累和外形尺寸的要求提出了4种结构。下面我们分析4种结构的优劣。

图1　SMA-JW系列外形尺寸图

图2　SMA-JW3506外形尺寸图

3)结构分析

结构1：内导体没有倒刺，轴向上通过盖板来固定介质体和内导体。

优：结构简单，性能理论可行

劣：固定性不好，内导体端面位置不能固定，受焊点的影响较大。

结构2：根据结构1进行改进，加一挡圈固定介质体，内导体加倒刺，提高了产品的机械性能。但由于加了挡圈，在补偿处的尺寸发生显著变化，用HFSS软件经多次仿真都不能得到好的结果。

结构3：借用2.92系列的结构，介质体选择MPPO。

优：从仿真结构看来，效果很好，完全满足要求。

劣：(1)在产品的装配过程中，发现介质体很难装配，且由于介质支撑强度不过，很容易形变。(2)另外由于MPPO的热变形温度为125°。而焊接内导体的烙铁或热风枪的温度远远超过125°，在焊内导体时，很容易将介质体损坏。

结构4：由于基本的方法都已经用到，还是不能满足要求。最大的原因还是在于电性能和机械结构的冲突。有没有另外的方法可以平衡二者的关系。

根据射频连接器三项基本设计原则：

(1)在同轴线的每一长度单元上，尽量保持特性阻抗一致。

(2)对于每一个不可避免的阻抗不连续，施加单独的共面补偿 。

(3)最大限度地减少电气性能对机械公差的依赖。

为此，我们对结构进行全新的调整。首先内导体除了倒刺外，不增加台阶。其次将外导体拆分，使腔体的大小易于调整。其三维图见图3和图4。

图3　爆炸视图　　　　　　　 图4　剖面视图

4) 仿真结果

首先从产品的结构来看，机械可靠性有较大的提高，且易于装配和焊接。

重点是宽频带高频性能是否满足。为保证产品的一致性、低容差敏感性。

我们对产品进行了三个方面的仿真。

(1)对单头产品的仿真，三维仿真模型见图5，仿真结果见图6。

(2)对整个电缆组件的仿真，三维仿真模型见图7，仿真结果见图8。

(3)加公差进行仿真。

仿真结果比较理想，达到我们的预期目标。

图5　三维仿真模型

图6　仿真结果

图7　电缆组件三维仿真模型

图8　电缆组件仿真结果

5) 对插入损耗的考虑

因本电缆组件要求电缆的外径不得大于Φ3。且插入损耗≤1.2dB；由此得出要求的电缆为超低损电缆。根据筛选，我们选择GORE公司的微波电缆：CXN3506。根据插入损耗的计算公式和电缆插入损耗的大小，得到：插入损耗=0.2*2+2.87*230/1000=1.06，满足产品要求。

6)装配

为验证产品正确性，我们装配了3根电缆组件，见图9所示。

图9　电缆组件实物图

7)测试

通过对产品的测试，驻波比满足要求。测试结果见图10。

图10　驻波比测试图

通过组件的测试数据来看，VSWR有的实测值大于仿真值，有的却小于仿真值。其主要原因：

(1)由于连接器模型尺寸与实际零件尺寸存在一定偏差，如零件的加工公差和装配过程中存在的公差等。

(2)测试时连接器界面尺寸与模型的界面尺寸有偏差；

(3)实际装配中产生的空气间隙无法在模型中体现；

(4)组件装配过程中，焊接内导体时焊锡溢出。

8)对策

针对上述原因，我们提出如下对策：

(1)通过仿真和实践的不断对比，掌握实际生产的情况，模拟出更为贴近真实情况的模型；

(2)对于不可避免的影响因素，在设计或装配时，要考虑通过工装或其他方法减少它带来的各种影响；

(3)严格管控质量，遵守工艺流程。

2.4　DPA分析

1)为了解产品真实的内部结构，我们对产品进行了DPA分析，DPA分析报告见表1。

表1　DPA分析报告

5失效器件DPA分析3、内导体焊接不良　　1、焊点过大，影响驻波性能；2、锡沿内导体外表流入过多；4、套筒压配不到位　　套筒在压配时，没有和外导体1充分接触，影响插入损耗。6同行业器件的对比分析不涉及不涉及不涉及

合格样品通过DPA发现，能满足产品的使用要求。同时对不良样品进行了DPA分析，总结出各种失效模式。

2)举一反三

SMA-JW3506/JW3506-230电缆组件的开发成功，为客户另外5款产品的研制打下了坚实的基础。很快我们就将该产品的结构移植到余下5款产品上，获得良好的效果。