1.85mm型58GHz毫米波电缆组件的设计

(上海雷迪埃电子有限公司，上海市， 200072)

1 引言

1.85mm连接界面频率可达到了67 GHz。随着工作频率的提高，近年来1.85mm接口越来越多地应用于通信、测量等系统。尤其许多高端测试仪器是1.85mm接口，目前所用的1.85mm型电缆组件多由国外设计和制作的，虽然频率高达67 GHz，价格却非常贵。目前5G通信正在兴起，然而其高频部分工作频段仅在38～45GHz附近，所以从成本和实际应用的角度，自行研发和制作更为可行。本文所研发的1.85mm F-1.85mm F型半柔性电缆组件,工作频率可达58GHz。电缆组件的设计实际上是两部分的设计，其一是按选择的合适电缆线去设计接电缆的连接器，其二是电缆线与连接器连接的设计。

2 设计原理

2.1 同轴射频连接器的设计与仿真

同轴连接器的设计就是同轴线的阻抗匹配设计。

1)基本的同轴线截面特性阻抗近似公式为：

式中，Z0-理想同轴线的特征阻抗，D/d-外导体内经/内导体外经，ε-介质相对介电常数。

传输线特征阻抗各段应尽量设计成接近50ohm,减少阻抗不连续性。

2)同轴线界面结构采用空气介质,减少绝缘子对传输线带来的不连续性和不稳定性。

3)尽管采取空气结构，实际结构中仍需要局部绝缘子支撑中心针。在毫米波频率下绝缘子的结构﹑大小﹑形状、精度和材质对射频性能影响非常大。采用雷迪埃研制的一种直径小于2毫米的超小型PEEK树脂铸模绝缘子，其射频性能高达67 GHz。

4)为减少不连续性得到最佳的射频性能，连接器采用单个绝缘子。绝缘子为C形。在确保能固定中心针的情况下，绝缘子也仅设置在连接器腔体局部的一小块区域中，使得引入的影响最小。

因为固定绝缘子，从绝缘子处尺寸到前端的界面尺寸和到与电缆线相连的尾部尺寸都是变化的，这样腔体内部和中心针上必然设有凹槽和凸台。结构的不连续过渡，造成阻抗的不连续性。不连续的台阶处引入了并联电容，采用常规的预置错位尺寸△进行补偿。通过仿真优化△。绝缘子支撑位置的阻抗不连续还要采用共面补偿，由该绝缘子上的槽完成。

5)根据1.85mm连接器标准和前述公式计算的尺寸参数，设计能实现中心针固定和装配的初始机械结构。采用微波电磁场仿真软件CST，先对初步设计的连接器本身仿真。尽可能做到自身结构的50ohm匹配，最大限度降低连接器自身由于机械尺寸引入的不连续性所造成的驻波。

(a)

图1(a) 是单独连接器的仿真结构，它是图2的一部分。图1(b)是其VSWR仿真结果。

2.2 连接器与电缆组件的连接仿真

2.2.1 电缆线的选择

为使用方便，选择半柔性 .047规格的同轴电缆线。供应商给出的插损典型值为9.83 dB/m @40GHz,11.136 dB/m @50GHz,12.914 dB/m @65GHz。该电缆线为中心线、绝缘层、单屏蔽编织层、外护套结构。

2.2.2 电缆组件的仿真

将前面仿真好的连接器与电缆线一起再建立初始三维电缆组件机械结构模型。然后导入到CST微波仿真软件中，简化成为3D仿真模型。再次进行电磁场整体仿真和设计。仿真时设置变量，调整和优化前述连接器元件内部尺寸，特别是连接器和电缆线连接处的结构和尺寸。由于元件尺寸非常小，金加工和装配的公差，甚至电镀镀层厚度，对最终射频性能都会造成很大影响，所以设计的结构应尽量简洁，零件尺寸应尽量便于控制。单端连接器与电缆线的3D仿真模型如图2所示，考虑理想装配连接和两种非理想装配连接的情况。

由于连接器本身设计仿真前面已基本完成，所以结构尺寸只需微调，以下主要是连接器与电缆线的连接仿真问题，连接器与电缆线连接处设计有另一小绝缘子。在连接器本身匹配较好下，真实电缆组件的射频性能很大程度取决于连接器与电缆线两者过渡部分的实际装配下的匹配。实际连接会产生图示间隙t和s，t是电缆线介质层的间隙，s是电缆线金属屏蔽层退出连接器腔体的尺寸。下面是单端连接器与电缆线一起的仿真结构的几种情况示意图，如图2(a)、(b)、(c)所示，左边是连接器，右边是电缆线。图2(a)为理想连接情况，2(b)中心针与电缆线焊接时，间隙未控制好电缆线退后，使腔体留下空隙t，而外屏蔽层与腔体的空隙由焊锡填满。实际焊接时应尽量将绝缘子压紧，使空隙尽量小。图2(c)为电缆线焊接时由于电缆线绝缘层热膨胀凸出，将电缆线推后出现间隙s，而外屏蔽层与腔体的空隙未被焊锡填满。实际焊接时应尽量控制好温度和时间。

图2(a) 连接器与电缆线理想连接状态(t=0, s=0)

图2(b) 电缆线中心线后退导致电缆线介质层有间隙(t=-0.1, s=0)

图2(c) 电缆线屏蔽层退出连接器腔体留下间隙(t=0, s=-0.1)图2 1.85mm 单端连接器与电缆连接的3D仿真模型内部结构示意图

间隙1：s 和间隙2：t 的不同状态对VSWR影响很大。实际情况还会是s和t的不同组合。由于实际操作时不能完全按照理想状态连接而造成偏移，所以实际做出的电缆组件与仿真结果在频率高端有较大差别。

下面是长、短两种电缆组件的仿真模型和VSWR结果如图3-图4所示：图3只是为了更好仿真连接器与电缆线连接处的匹配性，假设电缆线长度为4mm， 实际上是不可能做这么短的。图4为真实情况，电缆线长度为110mm。就理想状态与几种装配偏差的情况，长、短两种电缆组件均仿真到70GHz。

图3(a) 理想状态中间电缆长度4mm的电缆组件3D结构图 (t=0, s=0)与VSWR仿真曲线

图3(b) 电缆长度4mm的电缆组件VSWR (s=0, t=-0.1,-0.2 sweep)

图3(c) 电缆长度4mm的电缆组件VSWR仿真曲线 (t=0, s=-0.1,-0.2 sweep)

图4(a) 电缆长度110mm电缆组件VSWR仿真曲线 (s=0, t=0)

图4(b) 电缆长度110mm电缆组件VSWR仿真曲线 (s=0, t=-0.1,-0.2 sweep)

图4(c) 电缆长度110mm电缆组件VSWR仿真曲线 (t=0, s=-0.1,-0.2 sweep)

从仿真曲线看到，当电缆线长度增加后VSWR会产生起伏，与实际情况相符。

2.2.3 工艺实现

在如此高的频率下，为保证射频性能中心针采用焊接连接的方式。外屏蔽层也与连接器外壳内壁焊接一体。电缆线的剥线将屏蔽层、绝缘层在同一位置一刀切掉，以确保尺寸精确性。电缆中心线的剥线尺寸略比需焊入的连接器中心针内孔短一点，防止中心线插入中心针内孔时被顶住，造成电缆线后退间隙t。实际装配焊接时注意中心针尾部与电缆线之间另加入的一个小的绝缘子，如仿真图2(a)所示，焊接操作时要压紧，这样可以更好的控制间隙，连接可靠性也增加。该绝缘子的加工尺寸公差必须控制好。焊接温度、时间也必须控制好。为了焊接不虚焊，焊锡流入顺畅，与电缆线中心线焊接的连接器中心针，以及与电缆线屏蔽层焊接的连接器壳体均开有侧孔。

3 设计结果：

3.1 实物照片

图5 所设计的电缆组件实物

3.2 样品测试结果：

样品测试在Keysight N5227A(0～67GHz)网络分析仪上完成。校准用1.85mm校准件,频率到67GHz。按标准Port1为1.85mm M, Port2为1.85mm F进行全部12项校准，测试连接及测试结果如下：

样品: 1.85mm F-1.85mm F 电缆组件(电缆长度110mm)连接方式:多加一个转接器1.85mm F-1.85mm F(DUT)+1.85mm M-1.85mm M(校准件中的标准件)频率 (GHz)DC-40GHz40～58GHz 电缆线本身Spec. 典型衰减为:实测值 VSWRmax<1.21.3实测值 IL(dB)max(包含多加的转接器的插损)1.451.78 9.83 dB/m@40GHz,11.136 dB/m@50GHz,12.914 dB/m@65GHz

驻波比插损测试曲线如图6：

测试结果与仿真结果在40GHz下基本吻合，曲线趋势一致，在40GHz以上，由于零件加工的精度、镀层厚度和装配的误差会使理想连接状态下VSWR理论值与实际值有一些差别，特别电缆线与连接器的连接误差造成射频性能偏差加大，毕竟工艺的控制相当困难，不过测试结果也比较符合我们仿真中的预测。工艺上需进一步改进。另外仿真只仿真了同一时间单个参数偏移的情况，实际情况是多个参数同时偏移，这样VSWR还会增加一些。即使这样单参数偏移的仿真结果与实际测试结果，直到67GHz曲线趋势也基本一致。另外剥线尺寸准确性也很影响射频性能。绝缘子介电常数的偏差，也是仿真与实测偏差的原因之一。

图6 电缆组件+转接器: 1.85mm F-1.85mm F(DUT)+1.85mm M-1.85mm M(校准件中的标准件)频标对应，Mark1, 26.5GHz; Mark2, 40GHz; Mark3, 45GHz; Mark4, 55GHz或56GHz; Mark5 58GHz, 频标见曲线。

实际上绝缘子介电常数还是随频率的变化而变化的。仿真时假定连接器与电缆线均为理想无耗损，损耗仅来自反射。最终实际电缆组件的损耗等于电缆线的介质损耗+连接器介质损耗+组件反射损耗，其中组件的反射损耗包括连接器两端界面的反射损耗，连接器与电缆线两端连接的内部反射损耗，还有附加测试转接器的损耗。由此电缆组件实测结果与电缆厂家给出的数值是相符的。

4 结论：

设计结果在当前的使用场合是可以接收的。根据测试结果，要求不太高的情况下直到67GHz也是可以用的。