一种SSMP-J射频同轴负载的设计及改进

李亚南 宋德柱 颜二国

一种SSMP-J射频同轴负载的设计及改进

李亚南 宋德柱 颜二国

（贵州航天电器股份有限公司，贵阳 550009）

阐述了SSMP-J射频同轴负载的设计过程，通过阻抗计算初步确定负载的基本结构，采用仿真分析的方法进行补偿结构优化，理论上满足了负载的电气性能要求。负载调试过程中，通过对不同材料的分析验证，并调整负载内部补偿结构，使负载的机械结构及电气性能均达到了最优。

射频同轴负载；阻抗计算；补偿结构

1 引言

SSMP同轴负载具有SSMP的标准界面，能够与SSMP对接端对接使用，可快速插拔，同时兼有SSMP射频连接器的体积小、重量轻、使用频率高的优点，具有广阔的应用前景。本文阐述了SSMP-J射频同轴负载的设计及开发过程，通过优化内部结构，计算补偿尺寸及使用仿真软件优化仿真，使产品具有较好的性能指标。并且分析和总结了产品测试及调试阶段产生的技术难点及解决方案。

2 同轴负载设计过程

2.1 设计原则

匹配电路中，当阻抗为60Ω时电缆耐电压最大，当阻抗为30Ω时电路的传输功率最大，当阻抗为75Ω时电路的损耗最小。在实际使用中，50Ω的匹配兼顾了耐压、传输功率及损耗等优势，所以阻抗50Ω的匹配在射频中最常用。75Ω的阻抗匹配因为损耗最小，所以多用于远距离传输及视频信号传输。为使负载使用范围更广，本文论述的SSMP同轴负载采用50Ω匹配，内部用50Ω电阻器将内导体与外导体连接。

为使SSMP同轴负载能够与国内外SSMP-K连接器顺利对接，界面采用SSMP-J标准界面。

根据GJB 5246—2004，SSMP-J标准界面分为全限位和光孔两种，全限位界面尺寸如图1和表1所示，光孔界面尺寸如图2和表2所示。全限位连接器较光孔连接器啮合力和分离力大，连接更可靠。根据实际使用需求，选则全限位SSMP射频同轴负载。

图1 SSMP-J全限位界面尺寸

表1 SSMP-J全限位界面尺寸 mm

图2 SSMP-J光孔界面尺寸广告费

表2 SSMP-J光孔界面尺寸 mm

2.2 设计过程

下面详细阐述了SSMP-J设计过程，并通过阻抗计算及模型仿真，使产品性能进一步优化，能够较好地满足客户的使用需求。

2.2.1 主要性能指标

电气性能：特性阻抗：50Ω；工作频段：K波段；频率范围：DC～26.5GHz；VSWR：1.3max。

机械性能：机械寿命≥100次。

近年来流行病学和遗传学的研究显示， 生物钟节律是广泛存在于生物体中重要的内源性调节机制，其对糖、脂肪等代谢的调控是调节能量代谢的重要途径，同时也使能量代谢变化呈现出重要的特征——节律性以来适应生理功能的需要[11]。更重要的是，时钟基因震荡节律的异常与糖代谢以及心血管疾病密切相关[12-13]。有研究发现，生物钟昼夜节律紊乱可导致糖代谢障碍、胰岛素抵抗和代谢综合征等[14],同时生物钟节律紊乱也可能是糖尿病产生和进展的重要促发因素[15]。如前所述，积极探索糖尿病对心肌时钟基因Bmal1/Per2的影响及具体形式可能为防治糖尿病心肌病提供新的治疗方向。

2.2.2 设计思路

信号在同轴连接器中传输时，遇到阻抗不匹配（阻抗偏离特性阻抗）的地方会引起反射，从而使电压驻波比增大。要设计出驻波较小的同轴连接器，必须保证连接器在轴向上的阻抗均匀一致。

射频同轴连接器的特性阻抗是由内导体和外导体的直径以及绝缘支撑介质的介电常数决定的，之间的关系式见式（1）：

式中：0——特性阻抗，Ω；ε——相对介电常数，空气=1，聚四氟乙烯=2.02；——外导体内径，mm；——内导体外径，mm。

根据SSMP-J全限位界面要求及阻抗50Ω的阻抗匹配要求，初步设计负载如图3所示。

图3 SSMP-J负载设计结构

根据式（1），分段设计负载的内部结构。SSMP-J标准界面端与标准SSMP-K对接后，介质为空气，ε为1，内导体外径及外导体内径均为标准值，由式（1）计算得阻抗0≈50Ω。内导体通过介质体聚四氟乙烯固定，聚四氟乙烯的相对介电常数ε为2.02，要使阻抗0≈50Ω，根据式（1）确定此段内导体外径及外导体内径。负载内部采用50Ω的电阻器连通内导体与外导体，并采用空气介质以提高负载的电压驻波比。为确保负载内部50Ω的阻抗，仍需根据式（1）确定空气介质段的内导体外径及外导体内径。为使负载内部每段阻抗达到50Ω，外导体的内径及内导体的外径尺寸均发生突变。根据相关补偿理论，在尺寸突变处会产生不连续电容，需要一个电感补偿，消除不连续电容产生的反射。电感的产生需要一个高阻抗来实现，因此在负载内部尺寸突变处均需要一个高阻抗补偿，避免突变产生严重的反射，影响负载的电气性能。因补偿尺寸的计算较为繁琐，选择通过软件优化仿真确定。

2.2.3 仿真分析

根据负载的初步结构建立仿真模型。补偿处尺寸严重影响了负载的电气性能，通过不断调整仿真模型补偿处外导体的内径和长度以及内导体的外径和长度，得到一个合适的高阻抗，实现补偿最优化，此时负载电气性能达到了理论上的最优。

通过不断调整上述参数，得出仿真结果如图4所示：在频率DC～26.5GHz范围内，实现阻抗补偿最优，电压驻波比最小，在DC～26.5GHz范围内，理论最大值为1.07，理论上能够满足DC～26.5GHz，VSWR≤1.3的使用要求。

图4 电压驻波比仿真结果

3 调试与改进

由于该负载使用频率较高，且零件加工尺寸及组装后与仿真结果存在一定的差异，仿真结果并不能直接说明产品的实际性能，在产品正式投产前验证、调试，并改善，才能够使产品达到理想的效果。

该负载在预测时发现两个问题点：产品驻波不稳定，信号时断时续；驻波超差。

经过拆分连接器，并分析连接器结构，内导体与电阻器与簧片相连组成中心接触件来传递电磁波。内导体与电阻器连接端、簧片与电阻器连接器均为簧片开槽结构，材料均为锡青铜，且电阻器与内导体、簧片为过度配合，当三者配合间隙比较大时，驻波不稳定，信号时断时续。鉴于此，对内导体及簧片口部进行缩口处理，缩口后电阻器与内导体、簧片均有一定的分离力。缩口后，信号时断时续问题有所改善。但是由于产品尺寸很小，且使用锡青铜材料，缩口处插拔几次基本就没分离力了。铍青铜较锡青铜有更好的弹性和强度，且经过时效处理后可以获得长期优良的弹性特征。将内导体与簧片的材料更换为铍青铜，缩口尺寸与原来相同，缩口后进行时效处理，内导体与簧片缩口处弹性好，与电阻器连接稳定，驻波稳定。

驻波测试时，驻波超差，仿真结果理论值与实际值差别较大。SSMP连接器尺寸较小，对加工精度要求比较高，加工尺寸超差也会严重影响产品的驻波值。经过测试产品零件尺寸，发现外导体内径尺寸偏小，阻抗不能满足50Ω，严重影响了产品的性能。重新生产零件进行验证，此次零件尺寸加工合格，组装后发现，驻波在1.4～1.5之间，仍然不能满足DC～26.5GHz，电压驻波比≤1.3的使用要求。之后从产品的结构补偿入手，在负载空气段中尝试增加聚四氟乙烯介质垫片的方法调节产品的驻波。

垫片的大小直接影响了内部阻抗大小，进而影响了负载驻波的大小。用不同规格的垫片调试负载驻波，在DC～26.5GHz频率范围内，对测试数据进行分析，选定最优规格的垫片，使负载驻波最小，且能够满足使用要求：DC～26.5GHz，VSWR≤1.3。

经过调试，对负载的结构进行优化，内导体与簧片材料换成铍青铜并缩口时效，在负载空腔中增加介质垫片，负载的性能稳定且满足使用要求。

组装完成后的外形图如图5所示。实测负载满足DC～26.5GHz，VSWR≤1.3，且在DC～24GHz频率范围内驻波小于1.15，负载性能优良，结构可靠，能够满足用户的使用要求。

图5 负载外观图

4 结束语

本文介绍了SSMP-J射频同轴负载的设计过程，总结了调试过程中遇到的技术难点及解决办法，并改进了负载的结构。由实际测试结果可以看出，该SSMP同轴负载使用频率能够达到26.5GHz。

1 冯良平. 射频同轴连接器设计要点[J]. 国外电子测量技术，2005，24(11)：39～44

2 GJB 5246—2004射频连接器界面[S].

3 石之礼.高频电缆组件的补偿优化研究[J].中国传媒大学学报自然科学版，2006，13(1)：71～73

Design and Improvement of SSMP-J RF Coaxial Load

Li Yanan Song Dezhu Yan Erguo

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

This article introduces the design process of SSMP-J RF coaxial load, determines the preliminary structure of the load through impedance calculation, optimizes the compensation structure through simulation analysis, and satisfies the electrical properties of the load in theory. In the test and debug phase of the load, different materials are analyzed and verified, and the compensation structure of the load is adjusted, to achieve the maximum mechanical structure and the electrical properties of the load.

RF coaxial load；impedance calculation；compensation structure

李亚南（1988），工程师，光学工程专业；研究方向：射频元器件产品的研发。

2018-04-02