145GHz同轴连接器的设计与实现

赵建波，刘长春，许晓龙

（中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010）

1 引言

射频同轴连接器是一种应用广泛的微波毫米波器件，相对于波导连接器而言，同轴连接器具有频带宽、体积小、重量轻、价格便宜等优点，在国防军工、仪器仪表、移动通信等领域具有广泛的应用。

145GHz同轴连接器频带宽，其频率上限已经进入THz领域，THz波束宽，容易对准，天线系统可以实现小型化、平面化，降低了对准所需要的精度和难度，在遥感和遥测、毫米波雷达、电子侦察、精确制导、星间通信、亚毫米波空间探测与环境监测、测试测量仪器等方面具有广阔的需求背景，是下一代通信的发展方向。现有的同轴连接器产品最高频率只能覆盖到110GHz，无法满足各行业对于THz同轴连接器的需求，因此开展145GHz精密同轴连接器的设计研究具有重要意义。

2 设计目标

145GHz同轴连接器的设计目标如表1所示。

表1 145GHz同轴连接器的设计目标

3 同轴连接器设计

3.1 145GHz同轴连接器的设计难点

本次设计的连接器最高频率高达145GHz，连接器的电性能指标对阻抗不连续的变化异常敏感，对零件的尺寸精度要求高，在如此宽的频带内实现阻抗匹配的难度非常大。同时，为了支撑和固定内导体，145GHz同轴连接器在设计时同样需要引入介质支撑，介质支撑的引入会导致传输线变得不均匀，如果设计不当，会产生严重的反射，甚至会激发出高次模，导致设计失败。因此，如何在超高频带内实现传输线的精确设计是145GHz同轴连接器的关键所在，难点总结如下：

难点1：频带宽，工作频率高达145GHz，实现整个频段内阻抗匹配难度大。

难点2：介质支撑不仅要有足够的强度，还必须进行合理的补偿结构设计，在超宽带频率范围内尽量较小反射，设计难度大。

难点3：工作频段高，对零件精度要求高，在兼顾微波性能和成本的前提下，容差设计计算量大，设计难度高。

3.2 介质支撑设计

介质支撑是145GHz同轴连接器的核心部件，在设计时需要遵循以下几个原则：保证电性能的前提下必须有足够的强度；介质支撑的材料介电常数要尽可能的小；介质支撑的结构必须具有良好的可加工性。

在介质支撑介入位置会引发阻抗的不连续，相当于在此位置引入了一个不连续电容，工程上常用的方法通过共面补偿进行消除，同时为降低介质支撑的等效介电常数，保证连接器的带宽，需要在介质撑端面进行周期性打孔处理。

图1 介质支撑回波损耗仿真曲线

本次设计我们采用介电常数较小的工程塑料来设计介质支撑。通过软件仿真来优化介质支撑的各尺寸，从而将不连续电容降到最低，保证介质支撑在整个频段内尽量匹配。介质支撑的仿真结果如图2、图3所示，通过仿真优化，介质支撑的回波损耗在－40dB以下。

3.3 开槽内导体设计

为了保证同轴连接器的阴阳内导体接触良好，阴头内导体上一般需要设计弹性结构，常用的结构主要有开槽结构和阴头内导体内嵌弹簧爪结构。145GHz同轴连接器的直径仅有0.348mm，内嵌弹簧爪结构无法实现，因此阴头内导体采用开槽结构。综合考虑现有的加工手段和加工难度，将阴头内导体设计为双槽结构，如图2所示。在HFSS中建立仿真模型，双槽结构对回波的影响如图3所示，从图中可以看出，双槽结构对回波损耗影响较小，在可接受的范围内。

图2 双槽结构示意图

图3 开双槽结构仿真曲线

3.4 内导体的间隙控制技术

同轴连接器互连时，理论上互连的阴阳连接器的内导体之间应该没有间隙存在，即G＝0mm。事实上，理想状态是无法实现的，为了保证互连时连接器内导体不会损坏被测件，内导体端面与电气基准面之间通常设计一个很小的负公差，接触间隙的存在，使连接端口的特征阻抗匹配恶化，增大了连接端口的反射系数，影响测量精度。通常间隙对驻波比的影响可以通过式1进行计算：

式中，S为驻波比；F为频率；G为空气间隙宽度；d为内导体外径；N为开槽数量；w为开槽宽度；dg为插针直径。

针对不同的间隙和槽宽组合，采用HFSS软件进行仿真分析，仿真结果如图4所示。从图中可以看出，当间隙G＝0.05mm时，回波曲线恶化严重，没有足够的设计余量，因此要求G＜0.05mm，即内导体端面距离电气基准面的公差（g）应该控制在－0.025mm～0之间。

图4 不同间隙的仿真曲线

3.5 同心度控制技术

对于同轴连接器而言，横截面上中心导体相对于外导体的同心度偏差是一个很重要的指标，同心度偏差会引起连接器特性阻抗的变化。设e为中心内导体和外导体内孔中心轴线的同心度偏差，如图5所示，内外导体同心度e引起的特性阻抗偏差为：

图5 传输线偏心示意图

在通常情况下，引发同心度偏差的原因，一方面是由于内外导体的形状偏差和装配偏差引起的，另一方面是由于介质支撑的介入引起的。安装介质支撑的台阶结构，在实际加工过程中，由于刀尖的磨损，在台阶根部并不是标准的直角，而是会产生一个微小的过渡圆角。根部圆角的大小与内导体台阶高度接近，会导致阻抗补偿设计失败，还会引起内外导体同心度恶化。

因此，在设计时不仅要严格控制零件的尺寸和形状误差，加工过程中也要对内导体的根部圆角进行动态监控，保证内导体的台阶根部圆角在可接受的范围内。

4 实测结果

在DC～110GHz频段内，通过搭建110GHz同轴测试平台测试，在110GHz～145GHz频段内，通过110GHz～170GHz太赫兹测试系统进行测试。在DC～110GHz频段内，回波损耗22dB，插入损耗0.28dB，在110GHz～145GHz频段内，回波损耗18.9dB，插入损耗0.36dB，满足表1中连接器的设计目标。具体测试曲线如图6和图7所示。

图6 DC～110GHz频段测试曲线

图7 110GHz～145GHz频段测试曲线

5 结论

本文通过理论计算和仿真方法，分析了介质支撑、内导体开槽、内导体间隙以及内导体根部圆角对145GHz同轴连接器传输线的影响，在此基础上设计完成145GHz同轴连接器。如图8、图9所示。连接器经实测，回波损耗小于15dB，插入损耗小于0.6dB，满足设计目标，证明理论和放着相结合的设计方法的有效性，值得其他高频产品设计时进行借鉴。同时145GHz同轴连接器的研发为我国THz领域产品的开发打下了良好的基础。

图8 145GHz同轴连接器实物

图9 太赫兹测试系统