手把手教你同軸連接器優(yōu)化設(shè)計

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)運而生、層出不窮，這也對連接器產(chǎn)品的設(shè)計提出了更高的要求。

射頻同軸連接器的設(shè)計優(yōu)化包括對連接器多方面功能及價值的分析改進(jìn)，以達(dá)到質(zhì)優(yōu)、價廉，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、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)信號頻率在不斷提高，對信號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)計優(yōu)化工作的重點和難點。

隨著計算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)也步入了一個新的時代，原來只有中、小型計算機(jī)或?qū)I(yè)工作站上才能運行的仿真軟件現(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)果越來越接近實際數(shù)值。這些無疑給連接器的仿真和優(yōu)化設(shè)計創(chuàng)造有極為有利的條件?！?/p>

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

通過時域測量，可獲得沿傳輸線的阻抗變化、集中反射點位置、集中反射點的電特性等數(shù)據(jù)，這對于分析和優(yōu)化連接器設(shè)計是非常有利的。

通過對時域測量數(shù)據(jù)的分析，找出連接器設(shè)計結(jié)構(gòu)當(dāng)中不匹配點并對其進(jìn)行逐一調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到提高電性能的目的。

時域測量的定位精度和響應(yīng)分辨率直接關(guān)系到時域分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而響應(yīng)分辨率與微波測試設(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)展和西方國家對華禁運政策的調(diào)整，越來越多的國內(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的具備時域測試功能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，這也使時域測量分析技術(shù)應(yīng)用于射頻同軸連接器的優(yōu)化設(shè)計成為可能。

2 射頻同軸連接器的一般設(shè)計原則

射頻同軸連接器的工作原理比較簡單，可以說是一段能夠使RF傳輸系統(tǒng)實現(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)體相對位置的穩(wěn)定及足夠的機(jī)械保持力。

這是對連接器界面及結(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場形變化也會產(chǎn)生特性阻抗不連續(xù)。

只有對這些不連續(xù)逐一進(jìn)行識別和補償，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)計補償計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)驗公式都是通過對大尺寸同軸傳輸線的研究得來的，對我們常規(guī)的使用頻率不是很高的連接器的設(shè)計而言其精確度已足夠，而對于小尺寸、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，所以此時的計算結(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)計思想可簡單總結(jié)為以下三點：

1）???????在充分滿足客戶需求的情況下采用最簡潔的設(shè)計結(jié)構(gòu)。簡單就是可靠，簡潔的結(jié)構(gòu)不僅可以有效減少不連續(xù)點（段）的存在，提高電性能，而且簡潔的結(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）???????對不可避免的不連續(xù)逐一進(jìn)行共面補償。共面補償是弱化和消除集中反射（不連續(xù)點）的有效方法，其原理是針對不連續(xù)點的電特性（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。從根本上講共面補償就是在失配部位形成一個低通濾波網(wǎng)絡(luò)，只要通頻帶足夠?qū)挘ǜ采w連接器要求的頻率范圍），便可得到理想的補償。

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)計出性能優(yōu)異的射頻同軸連接器產(chǎn)品。由此可見共面補償畢竟是后天性的，在進(jìn)行射頻同軸連接器產(chǎn)品的設(shè)計時首先應(yīng)盡量減少不連續(xù)點（段）的存在，并使不可避免的不連續(xù)盡量的小?！　?/p>

3 仿真優(yōu)化設(shè)計技術(shù)

利用三維電磁場分析軟件建模仿真，對連接器的設(shè)計進(jìn)行優(yōu)化，可以提高產(chǎn)品設(shè)計的一次成功率。

尤其是對性能要求高或有特能要求的連接器產(chǎn)品，通過建模仿真和計算，可以不用生產(chǎn)樣品而得到設(shè)計將可能達(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)，這時再安排生產(chǎn)出的樣品，其性能指標(biāo)會非常接近或一次達(dá)到設(shè)計輸入的要求，即縮短了設(shè)計周期，又節(jié)省了研制費用、降低了開發(fā)成本，省時省力。

下面我們用Ansoft HFSS軟件對一種7/16型1/4波長寬帶防雷連接器進(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波長金屬支撐子在同軸傳輸線中相當(dāng)于一個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。利用切比雪夫多項式對其進(jìn)行拓頻設(shè)計，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)在實際設(shè)計中較難實現(xiàn)或會造成過高的制造成本，故考慮1/4波長金屬支撐部分與連接器主體實現(xiàn)連接的可能結(jié)構(gòu)，對模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整

調(diào)整后1/4波長金屬支撐部分由原來的阻抗為Z1的均勻傳輸線變?yōu)殚L度為L1a、阻抗為Z1a和長度為L1b、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電長度的影響并進(jìn)行修正，然后根據(jù)經(jīng)驗公式對絕緣支撐處的不連續(xù)進(jìn)行逐一補償計算；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，這對結(jié)果的影響非常小，可以忽略不計。

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，中心低點沒有完全形成。

雖然0.9－2.6GHz時電壓駐波比小于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波長金屬支撐已經(jīng)是較細(xì)了，再細(xì)會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)化計算得到的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品的設(shè)計當(dāng)中，根據(jù)生產(chǎn)工藝能力狀況對內(nèi)、外導(dǎo)體進(jìn)行合理拆分，并考慮1/4波長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)計結(jié)果（如圖6所示）。

樣品生產(chǎn)后經(jīng)測試發(fā)現(xiàn)實際通頻帶略有偏移，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1/4波長金屬支撐接地端螺母進(jìn)行調(diào)整，以改變L1b的長度，使整體性能達(dá)到了要求：0.80-2.40GHz電壓駐波比小于1.20。駐波測試曲線如圖7所示。

審核編輯：湯梓紅