一种毫米波密封转接器的研制

2021-10-20王榕欣张清莉

机电元件 2021年4期

王榕欣，张清莉

(陕西华达科技股份有限公司，陕西西安，710065)

1 前言

射频同轴连接器是射频同轴传输系统的主要组成部分，是传输信号的关键元件，它的重要功能是有效的传输射频电磁能量。射频同轴连接器广泛地应用于微波通讯、航天航海、武器系统等领域中的天线、通信系统、射频发射或射频接收系统中，而且在高速数据传输设备中应用越来越广泛，作用也越来越重要。

密封转接器是射频同轴连接器的一种，是进行密封舱内外数据传输的桥梁。产品除要求有优异的电性能外，还应具有良好的密封性能，这样才能保证舱内环境的安全。最常见的是SMA型、N型、TNC型密封转接器。随着我国航空航天工程的飞速发展，整机系统的频率不断提高，在很多场合，需要应用毫米波密封转接器。因此研制生产毫米波密封转接器(2.92型、3.5型、2.4型)已迫在眉睫。

2 产品主要技术指标

特性阻抗：50 Ω；

频率范围：DC～40 GHz；

VSWR： ≤1.4；

绝缘电阻：≥5000 MΩ；

介质耐压： 750 V；

温度范围： -65℃～+165℃；

漏率： ≤1X10-3Pa.cm3/s。

3 结构设计

3.1 常用毫米波转接器的结构

以2.92型毫米波转接器为例，常见结构如下：

图1 毫米波转接器结构图

毫米波转接器一般采用空气同轴式结构，这样可以提高转接器的使用频率。为了固定内导体，常常使用介质绝缘子作为支撑。但是介质支撑的引入会影响到产品的电压驻波比，为了降低介质支撑所带来的影响，通常采用挖空介质支撑的方法来降低介质支撑的介电常数，同时两个介质支撑之间的距离A必须达到相当大的值，当A≥2D时，它们之间的相互影响十分微弱；当A≥3D以上时，相互影响可忽略不计。对于单个转接器来说，介质支撑必须离开基准面要有1～1.5倍D的距离。

3.2 毫米波密封转接器的结构设计

3.2.1 产品的基本结构

为了保证产品密封，必须在转接器内部引入密封段。一般密封段位于产品的中部，结构可做成单独的玻璃绝缘子与外导体焊接，或者采用内外导体一体烧结的形式。然后在玻璃绝缘子两端根据转接器的类型焊接上插针或插孔，考虑到仅依靠中心导体直接支撑插针或插孔，可靠性和寿命都不能满足使用要求，在转接器两侧又各引入了一段介质支撑。这样，密封转接器内部就有了三段介质支撑。见图2所示。

图2 毫米波密封转接器结构图

3.2.2 关键尺寸的确定

3.2.2.1 内外导体直径的确定

由于2.92型射频同轴连接器的内、外导体尺寸在国际标准中已确定，d1=Φ1.27mm，D1=Φ2.92mm，因此本产品的关键是要确定玻璃烧结段内外导体的直径(d2和D2)。

射频同轴连接器一般只传输TEM波，在同轴线中还存在着多种色散的高次模式，这些色散模式中截止波长最大的是H11模式，为保证同轴线中单一模式的传输，只要使H11模式截止，其余的所有高次模式就全部截止了。根据微波理论，同轴线的截止频率为：

(1)

式中，C0为光速， D、d分别为同轴线外导体内径和内导体外径，εr为介质的相对介电常数。由于产品要用到40GHz，玻璃粉介电常数一般约等于4，根据上式可计算出玻璃烧结段内外导体直径和：D2+d2=2.38mm。

由于本产品为50Ω的阻抗。阻抗公式如下：

(2)

式中，D-外导体内径，d-内导体外径，εr- 介质相对介电常数。根据D2+d2=2.38mm和公式(2)可计算出：D2=Φ2mm，d2=Φ0.38mm。

3.2.2.2 介质支撑厚度的确定[1]

(3)

式中，B为介质支撑的厚度，εr为绝缘子的相对介电常数；f为工作频率；fc为截止频率；λg为同轴线的工作波长。

通过上式计算，可以确定介质支撑的厚度。

3.2.3 过渡段的结构设计

为保证产品50Ω阻抗一致性，外导体内径尺寸将随着内导体外径尺寸的改变而改变。2.92型产品内导体直径d1为Φ1.27mm，而玻璃烧结段内导体直径d2仅为Φ0.38mm，如此大的直径突变必将引起较大反射，对产品电压驻波比的影响很大。在微波波段，截面不同的同轴线所引起的反射较大，改变不连续段附近的部分结构，可以在相当宽的频率范围内大大减小其反射，为消除这种直径突变对电压驻波比的影响，采取了图3所示的结构，对台阶处采取错位补偿的方法，将内外导体阶梯面错开位置，使其有一定距离，构成了一段电感，以补偿台阶引起的不连续电容，如图4所示。

图3 突变截面恰当的补偿形式(错位补偿)

图4 错位补偿等效低通网络

另外，为了避免内外导体直径突变过大，建议采用多台阶设计方案，逐步递进的设计方式可达到更好的效果，见图5。

图5 过渡段结构图

3.2.4 可靠性设计

随着我国航天航空事业的不断发展，对于连接器的稳定性和可靠性的要求也越来越高，因此建议产品尽可能采用内、外导体整体烧结来达到密封效果，此结构具有以下三个优点：

① 外导体为一整体结构，避免了一些连接器外导体采用分体结构因外导体连接处失效而导致连接器失效的隐患。目前一些连接器由于受到结构和加工的限制，外导体采用分体结构，外导体之间的连接采用收铆或螺纹连接，产品在受到较大扭矩或拉力时，常出现外导体连接处松动甚至解体的状况，因此为了保证连接器使用的可靠性，连接器的外导体应尽可能的采用一体的结构形式。

② 整体烧结结构环境适应性强，尤其是在一些高低温迅速变化的环境中，采用玻珠焊接的分体结构在焊接处易出现密封失效的现象，可靠性差，整体烧结则避免了上述隐患。我们在对这种新研制的整体烧结的转接器进行了-65℃～+165℃温度冲击试验，先后共两百多只产品进行了此项试验，没有一只产品出现密封失效，可见整体烧结结构的产品具有更高的可靠性。

③ 整体外导体屏蔽性能好，抗电磁干扰能力更强。

4 产品的关键点

4.1 整体玻璃烧结技术

整体烧结的结构中，玻璃体位于外壳的中段，两端外导体孔为深长孔，烧结时模具难以定位，烧结处质量难以保证，这些都会使产品的设计尺寸发生变化，产生很多不确定因素，严重影响产品的装配及电性能的实现。

通过不断努力，我们解决了整体烧结的结构中：玻璃厚薄不一致、玻璃沿外壳内表面爬升、内外导体同心度差等烧结缺陷，采用特殊的工艺手段保证了烧结后玻璃面的平整度。

4.2 转接器界面尺寸保证

2.92型密封射频转接器工作频率达40GHz，对零件的表面粗糙度，各零件的同轴度、垂直度等都有苛刻的要求。特别是对于产品的界面(如图6所示)，其加工质量的好坏将会影响到产品的电压驻波比、射频泄漏、头座插合等。为此采取以下措施：

① 提高零件的加工精度，将尺寸公差对产品电压驻波比的影响降到最低程度。

② 由于连接器插合后界面处外导体紧密接触，内导体之间的留有间隙，间隙的存在会影响到产品的电压驻波比，因此在连接器设计生产中应尽量减少内导体之间的间隙。GJB5246《射频连接器界面》中规定：内导体低于机械和电气基准面0.1mm以内(见下图)，为提高产品的性能，我们通过提高零件的加工精度和采用精密装配工艺，将内导体低于机械和电气基准面的尺寸控制在0.05mm以内，尽可能降低基准面处内导体之间的间隙对产品性能的影响。

③ 对于各个零件，尤其是机械和电气基准面处的同轴度、垂直度及表面粗糙度均有严格的要求，同时外导体界面插合处增加凹槽设计(见图6)，以保证转接器外导体接触紧密，保证了产品的电压驻波比、头座插合及射频泄漏指标。