一种N型射频同轴转接连接器的设计

杨宗亮，张守建，陈庆全

(临沂市海纳电子有限公司，山东临沂，276017)

1 引言

射频同轴连接器是微波领域中重要的射频传输元件，因其频带宽、连接方便可靠、性能优越、成本低廉，在微波通信设备、仪器仪表及武器系统中得到广泛应用。

根据用户需求，需要一种能够满足加厚面板结构的转接连接器，实现结构件两端N型射频连接器插头的连接，同时需要保证性能指标满足技术要求。

2 研制要求

2.1 结构特点

用户需要在一箱体两端使用N型射频转接连接器，箱体内部设置有信号通道(内导体穿过通道，通道作为外导体)，通道长度大概为60mm，需要根据连接器设计数据确定通道结构及内部尺寸，转接连接器要求结构简单、安装方便。

2.2 技术要求

工作温度：-65℃～+125℃；

特性阻抗：50Ω；

绝缘电阻：≥5000MΩ；

介质耐压：1500V；

工作频率：0-3GHz(1.2～1.4)；

电压驻波比：≤1.15；

工作电压：1000Vmax；

机械寿命：500次。

3 设计方案

3.1 设计原理

在设计过程中，参照GJB5246-2004《射频连接器界面》中N系列插孔连接器界面，并根据特性阻抗的计算公式进行相应的尺寸设计，保证特性阻抗接近50欧姆，特性阻抗近似公式如下：

(1)

式中，Z0-理想同轴线的特性阻抗；

ε-相对节点常数；

D-外导体内径；

d-内导体外径。

产品设计考虑以下要点：

1) 在充分考虑用户需求的情况下，尽可能采用最简洁的设计结构；

2) 尽量使每一段的阻抗都与特性阻抗相符；

3) 安装通道结构采用空气介质，减少绝缘介质对传输线带来的阻抗不连续性和不稳定性；

4) 由于连接器中的绝缘介质与接触件不可避免涉及到安装台阶等因素，同时由于安装通道的存在，还需要考虑连接器外导体与通道、内导体与绝缘介质、内导体与通道、绝缘介质与外导体相互配合而出现的台阶，需要在台阶变截面处进行阻抗补偿，采用常规的错位补偿方法，即预设一段错位尺寸△用以消除台阶造成的阻抗不连续，错位补偿近似计算公式如下：

(2)

式中，介质相同，ε=1，Z0=50Ω，k=3.09；

图1 错位补偿示意图

5) 由于连接器中绝缘介质选择为聚四氟乙烯，通道中绝缘介质为空气，空气与聚四氟乙烯的介电常数不相等，所以在这种复合介质的情况下，阻抗的补偿计算比较复杂，为了在设计上更准确的进行阻抗补偿，在初步计算的基础上通过HFSS进行建模仿真和计算，仿真时设置变量，不断调整和优化连接器内部结构和尺寸，根据仿真结果最终确定优化后的设计；

6) 由于N型射频同轴连接器为参照GJB5246-2004《射频连接器界面》中N系列插孔连接器界面进行设计，连接器的插入损耗可以不作为重点进行考虑，因通道需作为外导体，通道的结构及尺寸需要纳入设计，进行仿真分析时，以电压驻波比仿真分析结果为依据进行设计优化。

3.2 连接器与通道结构方案

本产品根据面板安装使用需求进行设计，插座为法兰安装，在结构件通道两侧各安装一只，内导体为共用件，穿过通道腔体分别与两端插座进行安装。

两个转接接口插座通过安装法兰固定在具有导体通道的结构件上，结构件通道两端界面设置与安装法兰安装孔对应的螺纹连接孔，通过螺钉将转接接口插座进行固定安装。中心导体穿过结构件的通道，与两端的转接接口插座分别配合安装，形成一整套转接插座，实现连接器转接功能，密封圈起到界面安装密封的作用，保证导体通道内部的环境，防止中心导体的氧化。产品结构如图2-图4所示：

图2 安装通道结构示意

图3 连接器结构示意

图4 总体结构示意意

4 仿真及优化

4.1 连接器建模

通过计算，初步确定连接器相关尺寸，在Autodesk Inventor Professional中建立三维模型，因设计方案中，连接器需要安装在结构件通道两端后才能构成完整的转接连接器，所以三维模型如图5所示：

图5 总体结构模型

将N型插孔端面做为阻抗变换段的起始面，并对模型进行适当简化，将外壳、通道做为一个完整外导体，以圆形外壳替代，内导体材质设定为铜，绝缘介质设为特氟隆，其他部分本来应设为空气，但为了优化的方便，将其设为真空，这对结果的影响可以忽略不计，在ANSOFT HFSS中建立简化后的三维仿真模型，如图6所示：

图6 仿真模型图

4.2 仿真分析

将两端连接器界面设置为50Ω端口，中心频率1.6GHz，扫描跨度0.5GHz，最大误差0.02，Fast扫频方式0.1-3GHz，进行初步求解，计算后选择显示电压驻波比，得到图7所示的曲线：

图7 HFSS模拟电压驻波比曲线

4.3 优化设计

根据初步的理论计算与仿真分析进行对照，得出电压驻波比偏高，通过不断调整中心导体、绝缘介质、外导体相关配合尺寸，特别是变径处的补偿尺寸，最终得出优化后的电压驻波比结果，曲线如图8所示。

图8 HFSS模拟优化后的电压驻波比曲线

5 试验验证

按照优化后的设计进行产品生产，对产品用矢量网络分析仪进行电压驻波比测试，测试结果如图9所示：测得截止频率1.4GHz下，电压驻波比1.075，小于指标要求。

图9 矢量网络分析仪电压驻波比测试图

测试结果表明，HFSS仿真结果对设计优化有比较好的指导作用，可大大减少了设计过程中的计算工作量。

6 结束语

本文介绍了一种定制型N型射频转接连接器，在N型射频同轴连接器的基础上，通过理论分析、计算，利用HFSS建模仿真，对连接器的设计进行优化，通过建模仿真和计算 ，可以不用生产连接器样品就能得到设计将可能达到的性能数据，通过进一步优化是模型达到所要求的性能指标，可以提高产品设计的一次成功率，缩短设计周期、节省了研制成本。最终通过产品实物的测试验证，对设计数据进行了最终验证，产品的设计满足用户的使用要求。