一种扩频的射频连接器的设计

2018-10-15徐敏黄森冯永芳

中国设备工程 2018年18期

徐敏，黄森，冯永芳

（苏州华旃航天电器有限公司，江苏苏州 215129）

近年来，随着我国整机设备的快速发展，射频连接器作为使用越来越广泛，使用频率越来越高。固有的频率已经不能满足整机设备的要求，不断出现了对现有射频连接器进行扩频使用的要求。本文主要通过介绍一款N系列接电缆射频连接器（以下简称连接器）的扩频设计，阐述扩频的原理和方法。

1 连接器频率

现有技术的N系列射频连接器的使用一般按照标准规定最高使用到11GHz进行使用，一旦超过规定的频率，电气性能指标迅速降低，无法满足使用，限制了产品的使用范围。随着整机设备的发展，对同轴连接器的要求不断提高，需要在连接器界面可以互换的条件下，提高使用频率，最高要求到18GHz。现有连接器结构无法满足，必须采用新的连接器结构，才能提高产品的使用频率。

2 连接器的设计

连接器的设计是针对现有技术的不足而提供的一种扩频的射频连接器，它通过降低传输介质的介电常数，优化电缆与连接器的连接方式，实现了连接器产品使用频率的整体提升，由原来的11GHz提升到18GHz，既满足了更高频率的应用需求，又提供了一种典型的扩频方式。

扩频的连接器它包括螺套1、橡胶垫2、挡圈3、第一介质体4、内导体5、第一套筒6、第二介质体7、外导体8、第二套筒9以及螺钉10组成。（如图1）。

图1 扩频连接器的结构

连接器的结构设计涉及连接器的界面，介质体的设计，电缆的固定方式，理论计算牵涉到连接器阻抗，频率，内外导体和绝缘介质的尺寸。

2.1 介质体的设计

影响使用最高频率的部件主要为第一介质体和第二介质体，这两个介质体为非空气介质，相比空气介质来讲，最高使用频率较低。为达到产品的使用上限频率，连接器和电缆过渡区域的补偿是产品能否满足使用频率到达18GHz的关键点之一。传输高频率的射频信号，需要对内导体每个变化的截面进行阻抗补偿，但实体介质的介电常数（2.02～2.08）偏高，完全空气介质又无法对内导体起到支撑作用。通过一系列技术研究分析，通过在聚四氟乙烯介质圆周均匀增加空气孔变为混合介质的方式降低其介电常数，确保内导体过渡界面的特性阻抗匹配，可通过仿真形式确定空气柱的位置和大小，如图2所示。

图2 混合介质的介质体

2.2 连接器的工作频率

（1）传输系统理论计算。根据连接器的技术要求，为了保证最高使用频率为18GHz和阻抗为50Ω的射频信号的正常传输，需要确定对应的尺寸和相应的参数。理论计算以工作频率和特性阻抗为基础，同时进行计算和满足，逐步确定相应的技术参数。

连接器的工作频率和特性阻抗可近似的用公式表示为公式（1）和（2）。

其中：f为最高使用频率，Z0为产品特性阻抗，ε为介质体介电常数，空气为1.0，聚四氟乙烯为2.02，D为外导体的内径，d为内导体的外径。

连接器要满足18GHz的使用频率，采用了混合介质的方式，当内导体外径不变的情况下，不断增加混合介质中空气的比例，以降低介电常数，提高使用截止频率。当达到18GHz以上时，即确定混合介质中的空气和聚四氟乙烯的比例，确定空气柱的大小和数量。

（2）电缆的固定结构。电缆的固定结构主要通过将焊接套筒和电缆屏蔽层进行焊接后，通过螺钉将焊接套筒固定的方式进行。

焊接套筒应有台阶进行定位电缆屏蔽层端面，应有倒角使焊锡能够顺利流入，应有观察孔用于观察焊锡的流入情况，见图3。为了保证焊接能够满足要求，可通过X光进行检查。

螺钉应有六角面用来施加规定的力矩进行拧紧，内腔1用来保护焊接套筒，内腔2用来保护电缆焊接尾端。电缆护套必须伸入内腔2中，才能保护焊点，见图4，螺钉锁紧后，电缆被可靠的固定在连接器中，见图5。

图3 焊接套筒结构

图4 螺钉结构

图5 螺钉锁紧后

（3）补偿设计。补偿设计一般有错位补偿和共面补偿。本连接器主要补偿位置为连接器和电缆之间的过渡部分，当电缆芯线接入内导体的过程中，内导体和电缆芯线外径不一致，需要进行补偿才能够顺利进行过渡。错位补偿的原理为增加一段高特性阻抗的结构，焊接套筒形成的台阶空气间隙以及补偿介质均用于过渡部分的补偿，见图3所示台阶，通过HFSS参数化仿真可以找出合理的控制范围。