一種可伸縮QMA/LRMG-KJ射頻同軸轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)

1 引言

隨著通信技術(shù)的迅速發(fā)展，射頻連接器作為微波領(lǐng)域中的重要射頻傳輸元器件，其種類越來越多。尤其是近幾年，電子設(shè)備及系統(tǒng)的集成度越來越高，對(duì)連接器的小型化、集成化、模塊化、高速化、易維修、快插拔等方向發(fā)展提出了更高的要求。射頻同軸轉(zhuǎn)接器作為連接不同界面射頻連接器的中間器件應(yīng)需而生。

QMA連接器具有快鎖的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，安裝需要的操作空間小，且兼容了SMA連接器的良好電氣性能，但是QMA-K插座一般都是面板法蘭安裝，不具備集成化的特點(diǎn)。LRMG界面射頻接觸件屬于模塊化非常高的同軸連接器，尤其是在機(jī)箱中，有大量的應(yīng)用，但是通常只接細(xì)小柔性電纜，不適用接粗電纜應(yīng)用場(chǎng)合，且更換不如QMA便捷。為了解決上述問題，本文將兩種界面合二為一，設(shè)計(jì)了一款可伸縮轉(zhuǎn)接器。  

圖1 常規(guī)彈簧浮動(dòng)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

2 轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)

該型QMA/LRMG-KJ轉(zhuǎn)接器采用50Ω阻抗，一端為標(biāo)準(zhǔn)的QMA-K界面，可與QMA-J同軸連接器互換，可實(shí)現(xiàn)與電纜的快鎖和快速更換，另一端為標(biāo)準(zhǔn)的LRMG-J界面，與LRMG-K同軸連接器互換，可應(yīng)用于集成化模塊。連接器的模塊化，通常要求射頻接觸件具有浮動(dòng)盲插功能。為了保證多通均能達(dá)到各自的電氣界面要求，接觸件一般都設(shè)計(jì)有彈簧結(jié)構(gòu)。常規(guī)彈簧浮動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，連接器的電氣件和安裝結(jié)構(gòu)件是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的，僅適合于連接器的軸向拉力小于彈簧彈力的使用環(huán)境。一般當(dāng)連接器接粗長(zhǎng)電纜，且電纜的拉力超過彈簧的彈力時(shí)，將不宜采用。本文在常規(guī)彈簧浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，增加連接器的可伸縮結(jié)構(gòu)，既保留了QMA-K端的界面軸向固定性，又滿足了LRMG-J端的彈簧浮動(dòng)性，可在集成化模塊中快速裝夾。

2.1 主要性能指標(biāo)

機(jī)械性能：可伸縮量：2mm；機(jī)械壽命：≥500次。

電氣性能：特性阻抗：50Ω；工作頻段：Ku波段；頻率范圍：0.01GHz～18GHz；VSWR：≤1.4。

2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)

圖2 轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)

根據(jù)轉(zhuǎn)接器可伸縮性要求，內(nèi)、外導(dǎo)體分別設(shè)計(jì)為分體式，如圖2所示。外導(dǎo)體1與外導(dǎo)體2之間通過彈性卡圈和彈簧連接，確保轉(zhuǎn)接器的可壓縮性和回彈能力，同時(shí)外導(dǎo)體1設(shè)計(jì)有簧片結(jié)構(gòu)，確保轉(zhuǎn)接器外導(dǎo)體的電連續(xù)性。LRMG射頻接觸件是一種推入式連接器，壓縮彈簧的工作載荷選取至關(guān)重要：太小，連接器接觸件不可靠，太大，直接提升了連接器的插拔力，不利于連接器的高度集成化。轉(zhuǎn)接器彈簧工作載荷應(yīng)略高于我司LRMG同軸接觸件的插拔力范圍要求和考慮轉(zhuǎn)接器內(nèi)導(dǎo)體之間、外導(dǎo)體之間摩擦力之和。彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)還需根據(jù)外導(dǎo)體的外形尺寸和安裝尺寸以及可伸縮量來綜合考評(píng)。彈簧工作載荷可通過公式（1）^[1]計(jì)算。

   （1）

式中：Fn——彈簧的彈力，N；fn——變形量，mm；G——材料切變模量，N/mm2；d——彈簧線徑，mm；n——彈簧有效圈數(shù)；D——彈簧中徑，mm；

外導(dǎo)體1上裝配鎖緊環(huán)，轉(zhuǎn)接器通過鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)安裝于模塊殼體中。轉(zhuǎn)接器與鎖緊環(huán)間隙配合，以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接器的浮動(dòng)^[2]。轉(zhuǎn)接器的LRMG端在對(duì)接過程中，能夠自動(dòng)調(diào)整至理想的對(duì)中位置，實(shí)現(xiàn)柔性對(duì)接，同時(shí)降低模塊的整體插拔力。

2.2 電設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化

射頻連接器因?yàn)樾枰紤]內(nèi)導(dǎo)體和介質(zhì)體在外導(dǎo)體中的固定性，不可避免需要設(shè)計(jì)定位臺(tái)階，但由此造成了阻抗的不連續(xù)。信號(hào)在射頻連接器中傳輸時(shí)，遇到阻抗不匹配的地方會(huì)引起反射，從而使電壓駐波比增大，影響電氣性能。因此需要通過阻抗計(jì)算，對(duì)阻抗不連續(xù)的地方進(jìn)行阻抗補(bǔ)償，從而滿足阻抗一致性要求^[3]。

射頻同軸連接器的特性阻抗是由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的直徑以及絕緣支撐介質(zhì)的介電常數(shù)決定的，之間的關(guān)系式見式（2）：

   （2）

式中：Z0——特性阻抗，50Ω；εr——相對(duì)介電常數(shù)，空氣=1，聚四氟乙烯=2.02；D——外導(dǎo)體內(nèi)徑，mm；d——內(nèi)導(dǎo)體外徑，mm。

根據(jù)式（1），分段設(shè)計(jì)負(fù)載的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。LRMG-J端與標(biāo)準(zhǔn)LRMG-K對(duì)接后，介質(zhì)為空氣，εr為1，內(nèi)導(dǎo)體外徑為0.7mm及外導(dǎo)體內(nèi)徑為1.6mm均為標(biāo)準(zhǔn)值，滿足公式（2）。標(biāo)準(zhǔn)QMA-K端，內(nèi)、外導(dǎo)體之間完全用聚四氟乙烯填充，聚四氟乙烯的相對(duì)介電常數(shù)εr為2.02，內(nèi)導(dǎo)體外徑為1.27mm及外導(dǎo)體內(nèi)徑為4.1mm均為標(biāo)準(zhǔn)值，滿足公式（2）。轉(zhuǎn)接器中間段，只有聚四氟乙烯和空氣兩種介質(zhì)，均可通過公式（2）進(jìn)行內(nèi)、外導(dǎo)體直徑計(jì)算。

由于轉(zhuǎn)接器中存在多個(gè)變徑點(diǎn)，并且同時(shí)含有臺(tái)階式變截面和錐形變截面[4]，其補(bǔ)充設(shè)計(jì)較為繁瑣，因此可通過相關(guān)補(bǔ)償理論進(jìn)行估算，然后把初步確定的結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)入仿真軟件，進(jìn)行模擬計(jì)算，并確定最優(yōu)電結(jié)構(gòu)理論尺寸。通過把多個(gè)錯(cuò)位補(bǔ)償值設(shè)定為變量，得出仿真結(jié)果如圖3所示：在0.01GHz～20GHz范圍內(nèi)，VSWR最大值為1.05，理論上能夠滿足0.01GHz～18GHz，VSWR≤1.4的使用要求。

圖3 轉(zhuǎn)接器仿真VSWR曲線

3 調(diào)試與完善

由于該型轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，零件數(shù)量多，裝配級(jí)數(shù)多，且零件加工尺寸控制點(diǎn)較多，產(chǎn)品裝配后測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的差異。仿真結(jié)果并不等同于實(shí)物時(shí)間性能。因此在產(chǎn)品投產(chǎn)前，需要進(jìn)行樣品驗(yàn)證、調(diào)試和完善。

該轉(zhuǎn)接器在樣品驗(yàn)證過程中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問題點(diǎn)：彈簧彈力偏小和VSWR偏大。

轉(zhuǎn)接器樣品與標(biāo)準(zhǔn)LRMG-K對(duì)接互換過程發(fā)現(xiàn)，轉(zhuǎn)接器還未對(duì)接到位，彈簧已經(jīng)發(fā)生壓縮，轉(zhuǎn)接器總長(zhǎng)度有縮短。因此無法保證轉(zhuǎn)接器在自由伸長(zhǎng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)與LRMG-K接觸件的可靠連接。根據(jù)公式（1），減少彈簧的有效圈數(shù)可以提升彈簧的彈力。

通過樣品測(cè)試發(fā)現(xiàn)，VSWR在1.4至1.5之間。經(jīng)分析，轉(zhuǎn)接器內(nèi)、外導(dǎo)體經(jīng)均分體結(jié)構(gòu)，外導(dǎo)體1和外導(dǎo)體2（內(nèi)導(dǎo)體1和內(nèi)導(dǎo)體2）通過開槽簧片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈性互連，而開槽槽寬將影響轉(zhuǎn)接器的特性阻抗，見公式（3）。通過式（3）可以看出，開槽數(shù)目越多，開槽越寬，對(duì)連接器的特性阻抗影響越大^[5]。

   （3）

其中：△Z ——特性阻抗變化的百分?jǐn)?shù)；N——開槽數(shù)目；w——插孔接觸件上的槽寬；R——插孔接觸件的外徑。

因此通過對(duì)彈簧的有效圈數(shù)和對(duì)內(nèi)、外導(dǎo)體的槽寬進(jìn)行優(yōu)化，重新生產(chǎn)樣品進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)調(diào)試，發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接器自由伸長(zhǎng)狀態(tài)，可順利完成于LRMG-K接觸件的互換，且VSWR≤1.35（0.01GHz～18GHz）。轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)可靠，性能優(yōu)良，能夠滿足使用要求，實(shí)物如圖4所示。

圖4 轉(zhuǎn)接器實(shí)物外觀

4 結(jié)論

本文介紹了一款可伸縮QMA/LRMG-KJ射頻同軸轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)過程，總結(jié)了調(diào)試過程中遇到的問題，給出了相應(yīng)的理論分析和解決辦法，并完善了轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)。由實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出，該型同軸轉(zhuǎn)接器能夠滿足使用要求，可應(yīng)用于集成化模塊中。本文為連接器的高度集成化，提供了設(shè)計(jì)思路。

參考文獻(xiàn)（References）：

[1]李留安,于少軍. 多路射頻連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[J].電子產(chǎn)品世界,2011 (6)：54-57.

[2]劉靈. 高低頻混裝連接器的結(jié)構(gòu)與力學(xué)性能研究[J].航天制作技術(shù),2020 (2)：65-67.

[3]馮良平,徐嵐. 射頻同軸連接器設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J].國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2005(11)：39～44.

[4]李明德. 降低射頻同軸連接器電壓駐波比的方法探討[J].機(jī)電元件,2011(3)：33～42.

[5]喬長(zhǎng)海,李留安. 射頻連接器用開槽插孔的可靠性設(shè)計(jì)與制作[J].電子產(chǎn)品世界,2011 (3)：52～56.

作者簡(jiǎn)介：劉靈（1986-），男，工程師，從事高低頻混裝連接器及組件產(chǎn)品的研發(fā)工作。

注：本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期