一文詳解同軸連接器優(yōu)化設(shè)計(jì)

1引言

射頻同軸連接器是微波領(lǐng)域中重要的射頻傳輸元件，因其頻帶寬、連接方便可靠、性能優(yōu)越、成本低廉，在微波通信設(shè)備、儀器儀表及武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

近幾年來隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，整機(jī)設(shè)備對(duì)射頻同軸連接器的技術(shù)要求越來越高，寬頻帶、低駐波、小型化、多功能、高可靠、快速連接等等，新的連接器品種應(yīng)運(yùn)而生、層出不窮，這也對(duì)連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。

射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括對(duì)連接器多方面功能及價(jià)值的分析改進(jìn)，以達(dá)到質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉，并且縮短試制周期。

優(yōu)化技術(shù)適用于射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸精度的確定、性能參數(shù)的提升等方面。通過優(yōu)化，尋求和確定最佳參數(shù)，保證連接器使用功能和可靠性要求。

隨著微波技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)系統(tǒng)要求連接器具有更多的附加功能，如濾波(隔直、防雷等)、整流、衰減等;另一方面整機(jī)系統(tǒng)信號(hào)頻率在不斷提高，對(duì)信號(hào)傳輸部分的損耗和電壓駐波比也有了更高的要求。

因此電性能的提升逐漸成為射頻同軸連接器設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)也步入了一個(gè)新的時(shí)代，原來只有中、小型計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)工作站上才能運(yùn)行的仿真軟件現(xiàn)在也可以在微機(jī)上用了，這樣就給仿真技術(shù)的普及創(chuàng)造了有利條件。

另一方面，仿真軟件在不斷過發(fā)展完善，新的軟件層出不窮，Ansoft HFSS和ADS等傳統(tǒng)三維電磁仿真軟件功能也在不斷強(qiáng)化，仿真精度越來越高，優(yōu)化結(jié)果越來越接近實(shí)際數(shù)值。這些無疑給連接器的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造有極為有利的條件。

時(shí)域測(cè)量分析是進(jìn)行微波傳輸系統(tǒng)缺陷分析的有效方法之一。

通過時(shí)域測(cè)量，可獲得沿傳輸線的阻抗變化、集中反射點(diǎn)位置、集中反射點(diǎn)的電特性等數(shù)據(jù)，這對(duì)于分析和優(yōu)化連接器設(shè)計(jì)是非常有利的。

通過對(duì)時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，找出連接器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中不匹配點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行逐一調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到提高電性能的目的。

時(shí)域測(cè)量的定位精度和響應(yīng)分辨率直接關(guān)系到時(shí)域分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而響應(yīng)分辨率與微波測(cè)試設(shè)備的頻寬、采樣速率有直接的關(guān)系。

近年來隨著行業(yè)的發(fā)展和西方國(guó)家對(duì)華禁運(yùn)政策的調(diào)整，越來越多的國(guó)內(nèi)射頻同軸連接器生產(chǎn)廠家具備了頻率上限到20GHz甚至高達(dá)100GHz的具備時(shí)域測(cè)試功能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，這也使時(shí)域測(cè)量分析技術(shù)應(yīng)用于射頻同軸連接器的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。

2射頻同軸連接器的一般設(shè)計(jì)原則

射頻同軸連接器的工作原理比較簡(jiǎn)單，可以說是一段能夠使RF傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連接與分離的同軸傳輸線。

連接與分離這一機(jī)械過程的實(shí)現(xiàn)要求連接器具有可靠的連接界面;

連接器的適用性和方便性要求連接界面有多種不同的規(guī)格和連接形式;

連接器的通用性和互換性要求連接界面的標(biāo)準(zhǔn)化;

連接與分離的可靠性與穩(wěn)定性要求連接器界面尺寸及內(nèi)外導(dǎo)體相對(duì)位置的穩(wěn)定及足夠的機(jī)械保持力。

這是對(duì)連接器界面及結(jié)構(gòu)的基本要求，另一方面連接器需要與同軸電纜、微帶等傳輸線連接，同樣也需要考慮連接過渡的匹配性、穩(wěn)定性和連接的可靠性。

機(jī)械連接的穩(wěn)定性與可靠性是實(shí)現(xiàn)射頻同軸連接器電氣連接可靠性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，穩(wěn)定可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)加上均勻匹配的阻抗、合理的介質(zhì)材料，便可得到電氣性能優(yōu)良的射頻同軸連接器。

但阻抗的不連續(xù)是不可避免的：

界面的機(jī)械連接及界面的容差導(dǎo)致連接界面的阻抗不連續(xù);

用于保證機(jī)械穩(wěn)定性的臺(tái)階定位結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不連續(xù)電容的存在;

機(jī)械公差及介質(zhì)電參數(shù)的漂移導(dǎo)致特性阻抗的漂移;

連接器與電纜及微帶等射頻傳輸線連接部分的適配性及電磁場(chǎng)場(chǎng)形變化也會(huì)產(chǎn)生特性阻抗不連續(xù)。

只有對(duì)這些不連續(xù)逐一進(jìn)行識(shí)別和補(bǔ)償，才能使射頻同軸連接器具有更好的電性能指標(biāo)。關(guān)于射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)補(bǔ)償計(jì)算很多理論著作及學(xué)術(shù)論文當(dāng)中都有更為詳盡的闡述，這里就不再贅述了，

但需要說明的是絕大多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式都是通過對(duì)大尺寸同軸傳輸線的研究得來的，對(duì)我們常規(guī)的使用頻率不是很高的連接器的設(shè)計(jì)而言其精確度已足夠，而對(duì)于小尺寸、高頻率、高性能要求的連接器(如毫米波連接器)設(shè)計(jì)而言，由于尺寸公差、表面粗糙度、金屬材料表面電阻率及介質(zhì)電參數(shù)的穩(wěn)定性等方面的影響變得不可忽略，所以此時(shí)的計(jì)算結(jié)果僅能作為參考。

綜上所述，在明確了用戶需求及確定了連接界面形式的情況下，連接器的基本設(shè)計(jì)思想可簡(jiǎn)單總結(jié)為以下三點(diǎn)：

1) 在充分滿足客戶需求的情況下采用最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單就是可靠，簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)不僅可以有效減少不連續(xù)點(diǎn)(段)的存在，提高電性能，而且簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)有更好的機(jī)械可靠性。

2) 盡量使每一段的阻抗都與標(biāo)稱特性阻抗相符。保證傳輸線阻抗的均勻性是減小反射的關(guān)鍵。

3) 對(duì)不可避免的不連續(xù)逐一進(jìn)行共面補(bǔ)償。共面補(bǔ)償是弱化和消除集中反射(不連續(xù)點(diǎn))的有效方法，其原理是針對(duì)不連續(xù)點(diǎn)的電特性(容性或感性)在其鄰近部位引入一段感性或容性區(qū)域，使在不連續(xù)點(diǎn)附近一定區(qū)域內(nèi)“平均阻抗”接近標(biāo)稱特性阻抗值，以達(dá)到在一定的頻段內(nèi)減小反射的目的。從根本上講共面補(bǔ)償就是在失配部位形成一個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)，只要通頻帶足夠?qū)?覆蓋連接器要求的頻率范圍)，便可得到理想的補(bǔ)償。

由LC低通濾波網(wǎng)絡(luò)原理可知，集中電容或電感值越大，低濾波器的通頻帶越窄，即在較高的使用頻率下想要使共面補(bǔ)償達(dá)到更好的效果，首先是集中電容或電感值要盡量的小，否則在高頻段不可能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的射頻同軸連接器產(chǎn)品。由此可見共面補(bǔ)償畢竟是后天性的，在進(jìn)行射頻同軸連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)盡量減少不連續(xù)點(diǎn)(段)的存在，并使不可避免的不連續(xù)盡量的小。

3仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

利用三維電磁場(chǎng)分析軟件建模仿真，對(duì)連接器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率。

尤其是對(duì)性能要求高或有特能要求的連接器產(chǎn)品，通過建模仿真和計(jì)算，可以不用生產(chǎn)樣品而得到設(shè)計(jì)將可能達(dá)到的性能數(shù)據(jù)，通過進(jìn)一步優(yōu)化使模型達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，這時(shí)再安排生產(chǎn)出的樣品，其性能指標(biāo)會(huì)非常接近或一次達(dá)到設(shè)計(jì)輸入的要求，即縮短了設(shè)計(jì)周期，又節(jié)省了研制費(fèi)用、降低了開發(fā)成本，省時(shí)省力。

下面我們用Ansoft HFSS軟件對(duì)一種7/16型1/4波長(zhǎng)寬帶防雷連接器進(jìn)行仿真優(yōu)化，以此為例介紹一下射頻同軸連接器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過程。

模型的建立

我們要模擬的是一種新型的多功能連接器――1/4波長(zhǎng)金屬支撐子式的寬帶防雷連接器，兩端為7/16型陰頭。

我們知道1/4波長(zhǎng)金屬支撐子在同軸傳輸線中相當(dāng)于一個(gè)帶寬很窄的帶通濾波器，由于它使同軸線內(nèi)導(dǎo)體直接良好地接地，因此作為防雷器時(shí)具有最小的殘余浪涌電壓和極強(qiáng)的電流處理能力，在雷電防護(hù)領(lǐng)域倍受青睞。

過窄的使用帶寬不利于它的推廣，考慮目前通信系統(tǒng)工作頻率，擬將其使用頻帶拓展為0.8~2.4GHz。利用切比雪夫多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行拓頻設(shè)計(jì)，以1.6 GHz為中心頻率，并考慮連接器應(yīng)承受8/20μs 、50KA脈沖電流的沖擊，得出如圖2的基本結(jié)構(gòu)模型：

根據(jù)預(yù)定的外形尺寸，推算出的模型結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中較難實(shí)現(xiàn)或會(huì)造成過高的制造成本，故考慮1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分與連接器主體實(shí)現(xiàn)連接的可能結(jié)構(gòu)，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整

調(diào)整后1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分由原來的阻抗為Z1的均勻傳輸線變?yōu)殚L(zhǎng)度為L(zhǎng)1a、阻抗為Z1a和長(zhǎng)度為L(zhǎng)1b、阻抗為Z1b的兩段傳輸線的組合，這樣一來想要確定Z1a、Z1b、L1a和L1b，計(jì)算變得相當(dāng)復(fù)雜。

這一工作可以交給ANSOFT HFSS去做。

由于結(jié)構(gòu)的限制，可確定L1a為20mm，Z1a為88Ω，而L1b和Z1b預(yù)設(shè)為26mm和92Ω。

由于優(yōu)化前后連接器主體部分徑向尺寸變化不會(huì)太大，因此將連接器主體部分兩端分別加入適當(dāng)?shù)木鬯姆蚁┙^緣支撐。

考慮絕緣支撐的加入對(duì)電長(zhǎng)度的影響并進(jìn)行修正，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)絕緣支撐處的不連續(xù)進(jìn)行逐一補(bǔ)償計(jì)算;因連接器將與50Ω電纜組件相連，故將N型插孔端面做為阻抗變換段的起始面。

完成上述工作后可著手建立ANSOFT HFSS三維仿真模型。

模型建好后進(jìn)行材質(zhì)的設(shè)定：銅合金鍍銀的內(nèi)導(dǎo)體材質(zhì)可設(shè)為copper，絕緣支撐設(shè)為Teflon，其它部分本來應(yīng)設(shè)為空氣，但為了優(yōu)化的方便，將其設(shè)為真空，這對(duì)結(jié)果的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

下一步是端口設(shè)置：將兩端連接器界面設(shè)置成50Ω端口。然后就可以設(shè)置求解條件：點(diǎn)頻1.6GHz，10次迭代，最大誤差0.01;Fast掃頻方式、0.6-2.6GHz，分為50份。下面就可以開始進(jìn)行初步求解了。計(jì)算后選擇顯示電壓駐波比，則可得到圖5a中顯示的曲線。

參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化

為了做便于進(jìn)行優(yōu)化，要在模型中引入?yún)?shù)。分析上圖曲線，和我們所需要的結(jié)果比較接近，帶寬已經(jīng)足夠，但頻帶有些上移，中心低點(diǎn)沒有完全形成。

雖然0.9-2.6GHz時(shí)電壓駐波比小于1.2，但中心峰值已接近1.2，有些過高，其主要因素就是Z1a和Z1b段的過渡。

Z1處1/4波長(zhǎng)金屬支撐已經(jīng)是較細(xì)了，再細(xì)會(huì)影響到電流處理能力，所以可以調(diào)節(jié)的只有Z1b和Z2了。

將Z2段內(nèi)導(dǎo)體外半徑設(shè)為可變參數(shù)SizeR1，范圍3.9-4.0，每步0.05mm;將Z1b段外導(dǎo)體內(nèi)徑設(shè)為可變參數(shù)SizeR2，范圍7.8-8.1，每步0.05mm;將Z1b段的長(zhǎng)度設(shè)為SizeL，范圍32-40，每步0.5mm。設(shè)置顯示參數(shù)然后優(yōu)化，優(yōu)化后的曲線如下圖所示：

模型的轉(zhuǎn)化

將優(yōu)化計(jì)算得到的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)生產(chǎn)工藝能力狀況對(duì)內(nèi)、外導(dǎo)體進(jìn)行合理拆分，并考慮1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分接地的可靠性和保留一定的調(diào)節(jié)量，得到最終設(shè)計(jì)結(jié)果(如圖6所示)。

樣品生產(chǎn)后經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)際通頻帶略有偏移，且?guī)挷蛔悖?/p>

中心頻率約為1.55GHz，通頻帶為0.78-2.36GHz。

通過將D1b尺寸加大0.2mm，并對(duì)1/4波長(zhǎng)金屬支撐接地端螺母進(jìn)行調(diào)整，以改變L1b的長(zhǎng)度，使整體性能達(dá)到了要求：0.80-2.40GHz電壓駐波比小于1.20。駐波測(cè)試曲線如圖7所示。

原文標(biāo)題：手把手教你同軸連接器優(yōu)化設(shè)計(jì)

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審核編輯：湯梓紅