毫米波同軸連接器工藝裝配方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張帥，張印奇

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214072；2.成都信息工程大學(xué)光電技術(shù)學(xué)院，成都610225）

毫米波同軸連接器工藝裝配方式的優(yōu)化設(shè)計(jì)

張帥1，張印奇2

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第58研究所，江蘇無錫214072；2.成都信息工程大學(xué)光電技術(shù)學(xué)院，成都610225）

針對(duì)毫米波同軸連接器使用中存在的不適當(dāng)方式，通過模擬建立模型進(jìn)行仿真，得到最優(yōu)化結(jié)果。運(yùn)用三維高頻仿真軟件（HFSS）找出連接器性能與空氣匹配腔參量間的一般規(guī)律，避免高頻電路設(shè)計(jì)和裝配中因端口不匹配帶來的不必要麻煩，同時(shí)為分析毫米波射頻元器件提供了一種行之有效的方法。

毫米波同軸連接器；HFSS；空氣匹配腔；高頻電路設(shè)計(jì)；端口匹配

1 概述

近年來，我國(guó)的國(guó)際形勢(shì)嚴(yán)峻，國(guó)家安全保障日益凸顯。關(guān)鍵毫米波射頻元器件是國(guó)家武器裝備系統(tǒng)的重要戰(zhàn)略物資，而毫米波射頻同軸連接器是研制生產(chǎn)航天、航空、兵器、軍用艦船、電子對(duì)抗系統(tǒng)等集成電路中傳輸射頻信號(hào)和能量不可或缺的電子元件。其發(fā)展和應(yīng)用是對(duì)整機(jī)裝備小型化、輕量化要求的重要體現(xiàn)，對(duì)波導(dǎo)系統(tǒng)的替代使得整機(jī)裝備的高頻段互聯(lián)系統(tǒng)體積大為縮小，拆卸復(fù)雜程度大幅降低[1]，目前主要用于解決30～110 GHz高頻率傳輸?shù)倪B接問題，可以獲得大回波損耗、小插入損耗和低電壓駐波比[2]。

表1列舉了目前常見的幾款毫米波同軸連接器及參數(shù)指標(biāo)[3～5]。

2 工程應(yīng)用

工程應(yīng)用中，會(huì)存在下面一種現(xiàn)象：選取了一種指標(biāo)良好的毫米波射頻同軸連接器作為信號(hào)傳輸端口，但實(shí)際測(cè)試得到的指標(biāo)較差。做故障排查時(shí)，射頻工程師往往容易忽略是否為連接器端口不匹配這一重要環(huán)節(jié)造成的，因?yàn)楹撩撞ㄟB接器不同于低頻SMA接頭，其結(jié)構(gòu)和裝配方式具有嚴(yán)格的要求。

表1 毫米波同軸連接器型號(hào)及指標(biāo)

3 模型及最優(yōu)化仿真

本文以2.4 mm同軸插針連接器[7～8]為例子，分析如何確保在頻率為35～45 GHz范圍內(nèi)的信號(hào)具有良好的傳輸特性。

帶絕緣子2.4 mm同軸連接器如圖1所示，其產(chǎn)品說明書推薦裝配方式如圖2所示。

圖1 帶絕緣子2.4 mm同軸連接器

圖2 絕緣子裝配方式

高頻信號(hào)的波長(zhǎng)短，絕緣子透過腔體后形成的間隙已經(jīng)能夠影響到信號(hào)的性能了，但設(shè)計(jì)電路時(shí)容易忽視這點(diǎn)，導(dǎo)致實(shí)際應(yīng)用中存在兩種錯(cuò)誤的裝配方式，如圖3中左側(cè)的連接器模型。圖3中的兩種模型借助三維高頻仿真軟件HFSS[9]模擬實(shí)現(xiàn)，射頻信號(hào)微帶傳輸線的介質(zhì)基板材料為羅杰斯3003，具體參數(shù)查閱相關(guān)資料。

圖3 兩種絕緣子實(shí)際裝配的模擬模型

仿真兩種模型得到了圖4中（a）和（b）兩種模型仿真曲線。

圖4 兩種裝配模型的仿真曲線

在35～45 GHz的頻率范圍內(nèi)，采用圖3（a）的裝配方式，信號(hào)的插入損耗（S12）達(dá)到了1.5 dB，回波損耗（S11）僅有6.5 dB，輸入輸出電壓駐波比（VSWR）卻有2.8，對(duì)于高頻信號(hào)，這種裝配連接器的方式犯了根本性的錯(cuò)誤，完全是不可取的，信號(hào)的能量損失嚴(yán)重，無法高效傳輸?shù)截?fù)載處。采用圖3（b）的裝配方式，信號(hào)的插入損耗小于0.4 dB，回波損耗大于17.2 dB，輸入輸出電壓駐波比小于1.32，這種裝配方式考慮到了信號(hào)傳輸端口的匹配問題，但并沒有達(dá)到最佳匹配狀態(tài)。比較圖4（a）、（b）兩種模擬仿真，絕緣子端口空氣腔直接影響了信號(hào)傳輸性能的優(yōu)劣，毫米波連接器的裝配必須要考慮端口的匹配，在圖5中標(biāo)明了匹配空氣腔的位置。

為了更好地滿足工程需求，有必要對(duì)圖3（b）中的模型進(jìn)一步分析驗(yàn)證，找到空氣腔的最佳匹配。所謂的匹配空氣腔其實(shí)是絕緣子插針與結(jié)構(gòu)件形成的一段圓柱體空隙，模型的結(jié)構(gòu)件如圖5所示，圖中橢圓部分為空氣腔，圖6為其參數(shù)化后的詳圖。

圖5 模型的結(jié)構(gòu)件

圖6 模型部件和尺寸參數(shù)化詳圖

對(duì)圖6的模型進(jìn)行參量的最優(yōu)化仿真，得到圖7的仿真曲線。

從圖7中可以清楚地看出，在33～49.5 GHz的頻率范圍內(nèi)，信號(hào)的插入損耗小于0.4 dB，回波損耗大于20.5 dB，輸入輸出電壓駐波比小于1.20。在35～45 GHz頻率內(nèi)，信號(hào)具有更加良好的傳輸特性，與表1中給出的指標(biāo)完全吻合，證明了本文采用的驗(yàn)證方法正確。此時(shí)，連接器的絕緣子插針直徑r為0.3 mm，絕緣介質(zhì)材料為聚四氟乙烯，直徑R為1.9 mm，高度L為2.2 mm，匹配空氣腔優(yōu)化仿真后各參量數(shù)值見表2。

圖7 參量?jī)?yōu)化后的曲線

表2 匹配空氣腔最優(yōu)化參量

4 參量分析

在結(jié)構(gòu)件加工和工藝裝配中，總有公差和誤差的存在。為了確保連接器性能達(dá)到最好的狀態(tài)，需要分別找出R1、R2、L1和L24個(gè)參量變化對(duì)連接器性能影響的一般規(guī)律。

4.1 參量R1變化對(duì)連接器性能的影響

從圖8的仿真曲線圖可以明顯看出，參量R1的變化對(duì)連接器的S11、S21和VSWR均有影響，其中，對(duì)S11和VSWR影響顯著?？傮w的變化趨勢(shì)為先變好再變差。當(dāng)R1=1.6 mm時(shí)，|S11|max=59.7 dB，|S12|min=0.19 dB，|VSWR|min=1.02。

圖8 R1變化對(duì)連接器性能影響曲線圖

4.2 參量R2對(duì)連接器性能的影響

圖9中的仿真曲線波動(dòng)很大，說明了參量R2的變化對(duì)連接器的性能具有劇烈的影響。在30～50 GHz頻率范圍內(nèi)，當(dāng)R2=0.7 mm時(shí)，|S11|≥15.5 dB，|S12|≤0.28 dB，|VSWR|≤1.30。取其他值時(shí)，連接器的工作帶寬明顯變窄，且回波損耗S11變小，插入損耗S21變差，VSWR變大。此時(shí)，選取R2=0.7 mm及附近的值較為適宜。

4.3 參量L1對(duì)連接器性能的影響

建立模型時(shí)，參量L1和L2是一對(duì)相對(duì)變量，即L1可以用L2表示。

圖9 R2變化對(duì)連接器性能影響曲線圖

圖10 L1變化對(duì)連接器性能影響曲線圖

從圖10中可以一目了然地看出，隨著L1的增大，連接器的回?fù)p、插損和駐波比逐漸惡化，工作帶寬逐漸變窄，已經(jīng)不具備良好的寬帶性能，喪失了基本功能，L1決定了連接器傳輸性能的好壞。

通過對(duì)匹配空氣腔具體參量的仿真，得到了連接器性能與參量間的基本規(guī)律，確定了各個(gè)參量對(duì)其影響的顯著程度，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)做好理論仿真工作，在機(jī)加工時(shí)保證好公差，在裝配時(shí)嚴(yán)格按照?qǐng)D紙說明。例如R2和L1的尺寸要求就要嚴(yán)于R1，它們的公差顯然不是一個(gè)量級(jí)。

5 總結(jié)

文中通過模擬毫米波射頻電路中連接器不合理的設(shè)計(jì)和實(shí)際工程加工及工藝裝配方式建立模型，并進(jìn)行了仿真實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)連接器中絕緣子與結(jié)構(gòu)件的端口匹配對(duì)信號(hào)的插入損耗、回波損耗和輸入輸出的電壓駐波比會(huì)產(chǎn)生顯著影響，并發(fā)現(xiàn)其一般規(guī)律。所以，在進(jìn)行高頻射頻電路接頭選取時(shí)，針對(duì)特定頻帶和電路，將實(shí)際產(chǎn)品轉(zhuǎn)換成理論模型，應(yīng)用仿真工具，結(jié)合仿真結(jié)果，指導(dǎo)工藝裝配，提高準(zhǔn)確性和實(shí)用性。本文提供的這種思路在工程應(yīng)用中有重要的參考價(jià)值。

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Optimization Design of MMW Coaxial Connector Assemblage

ZHANG Shuai1,ZHANG Yinqi2
（1.China Electronics Technology Group Corporation No.58 Research Institute,Wuxi 214072,China；2.College of Optoelectronic Technology,Chengdu University of Information Technology,Chengdu 610225,China）

In the paper,the improper use of MMW coaxial connector is overviewed.A simulation model is implemented to obtain the optimum outputwhile 3-dimension HFSS is used to discover the generallaw between the connector condition and the parameters of air matching cavity to avoid port inconsistency between design and assembly.The paper also provides a practical and effective method to analyze the MMV RF metadata accessories.

MMW coaxial connector;HFSS;air matching cavity;design of high frequency circuits;port matching

TN405

A

1681-1070（2017）05-0037-04

張帥（1990—），男，江蘇宿遷人，碩士研究生畢業(yè)，研究方向?yàn)槲⒉ㄆ骷?/p>

2016-12-18