射频同轴连接器设计_图文-五星文库
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射频同轴连接器设计_图文
导读：降低LQ型射频连接器电压驻波比的研究，【摘要】LQ型射频密封连接器，主要用在大、中功率米波电视天馈系统连接电缆传输电视信号，本文对目前国内流行的LQ型连接器的双支撑、外衬式、内衬式三种基本结构，新设计的LQ型连接器，主要用在大、中功率米波电视天馈系统连接主、分馈电缆传输电视信号，连接器上备有充气孔，在七十年代末和八十年代初我国陆续研制了一系列米波段LQ型射频密封连接器，对于射频密封连接器，分米
降低LQ型射频连接器电压驻波比的研究
LQ型射频密封连接器，主要用在大、中功率米波电视天馈系统连接电缆传输电视信号。其电压驻波比(VSWR)在0～1GHz频率范围内为1.07～1.10，不能满足分米波电视的要求。本文对目前国内流行的LQ型连接器的双支撑、外衬式、内衬式三种基本结构，做了具体分析。找出了多支撑、多阶梯、多介质是影响VSWR的主要因素，并进行了改进。新设计的LQ型连接器，不仅保持了原有各种性能，且大大降低了VSWR，使在0～1GHz频率范围内，VSWR为1.03～1.05，满足了分米波电视天馈系统的需要，达到了目前国际上同类产品的水平。
LQ型射频密封连接器，主要用在大、中功率米波电视天馈系统连接主、分馈电缆传输电视信号，或用于其它通信设备。连接器上备有充气孔，供电缆充入干燥空气或惰性气体，达到密封防潮保持电气性能的目的。特性阻抗分为50Ω和75Ω两种。为了满足广播电视事业发展的需要，在七十年代末和八十年代初我国陆续研制了一系列米波段LQ型射频密封连接器，至今仍在使用。其主要电气性能如表1。
随着广播电视事业的发展，迫切需要发展我国的分米波彩色电视系统，使其接近或达到目前国际上同类产品水平。对于射频密封连接器，分米波段与米波段的主要区别是适用频率范围不同，对VSWR的要求不同，其它性能两者类同。分米波电视天馈系统对射频密封连接器的要求是在0～1GHz频率范围内，电缆组件具有低VSWR性能，即短段电缆(约50cm)配接一对连接器和一对测试用转接器，其VSWR≤1.05。米波段LQ型连接器VSWR最低才达1.07，显然不符合要求。但是其螺纹连接的接口型式，由于连接方便、接触可靠、性能稳定，仍为一种比较好的连接结构形式，在国外也广为采用。对此，如何降低LQ型连接器的VSWR，使其满足分米波电视天馈系统的要求，成为必须解决的主要问题。
分米波密封连接器，由于工作频率的提高，精确地进行设计是必要的，要降低VSWR，按照射频连接器的设计原则应满足以下要求：
1. 保持特性阻抗的均匀性。即在同轴传输线的每一个横截面上，尽可能地保持特性阻抗等于标称阻抗，例如50Ω。
2. 尽量保证阻抗的连续性。对于每一个不可避免的特性阻抗的不连续，都要进行补偿。 3. 尽量缩短同轴传输腔体的“尺寸链”。以减少机械公差对电气性能的影响。
二、现行LQ型连接器的结构及其对电压驻波比的影响
1. 现行LQ型连接器的结构
综合目前国内LQ型射频密封连接器的结构设计，略去连接结构，电缆夹紧装置、充气密封结构，由内外导体组成的同轴传输腔体的结构可简化如图1～3的结构形式。它决定了连接器的VSWR和其它电气性能。
1. 绝缘支撑1
2. 绝缘支撑2
1. 绝缘支撑
双支撑结构
外衬式结构
1. 绝缘支撑
内衬式结构
2. 结构参数偏差对电压驻波比的影响
根据同轴传输线理论，其特性阻抗为：
由(1)式可见，特性阻抗Z的数值取决于绝缘介质的相对介电常数εr、外导体内径D
以及内导体外径d。在加工制造过程中，由于环境、技术、材料本身诸因素，内外导体直径D、d、相对介电常数εr总会出现一定的偏差，当D、d、εr三参数偏差(△D、△d、△εr)较小时，特性阻抗的偏差可用下式表示：
60?D?d??rD(??ln)
(2) Dd2?dr
由于这些偏差是机遇性的，因此服从正态分布规律：
?z22?z22?z2
)??r?()?d?()2?D
ζz=(??r?d?D
特性阻抗的均方根偏差值； ε―― 等效介电常数均方根偏差值； d―― 内导体外径均方根偏差值； D――外导体内径均方根偏差值。
d ?εrεεr
?dεr d?z601
以L27Q型射频密封连接器为例(单位mm)：
D=18； d=5.5;
则：()=147；
?εr ?d ?D
由此可见，绝缘介质的相对介电常数εr对特性阻抗影响较大，内导体的外径d影响次
当内导体直径偏差△d=±0.03、△D=±0.05、△εr=±0.04时，特性阻抗的均方根偏差值为：
ζz=0.55Ω
该处对VSWR产生的影响由下式决定：
Z将特性阻抗均方根偏差值代入(4)式 0.55
由(3)式及以上分析可见，要降低VSWR，就要减少决定特性阻抗的尺寸公差的数量和避免使用或少用绝缘介质材料。 3. 绝缘介质材料的影响
根据公式(1)，当绝缘介质为空气时，特性阻抗为：
如图2图3所示，当传输腔体为复合结构时，其相对介电常数由下式决定：
1Di?i?1?iDi?1
图2图3中复合结构由聚四氟乙烯(PTFE)衬套和空气组成，因而其相对介电常数为
代入(1)式得：
其中：D1――为绝缘衬套的外径； d1――为绝缘衬套的内径
由公式(1)、(5)、(6)对比可见，对于特性阻抗Z，空气介质时结构参数影响因素最少(2个)，内外导体间充满PTFE时影响因素次之(3个)，复合腔体时(空气和PTFE)影响因素最多(5个)。由(3)式见，影响因素越多，对特性阻抗影响越大，导致VSWR性能越差。
从整体结构分析，在图1中，已有绝缘支撑1支撑定位，无需再设绝缘支撑2。绝缘支撑2的增设不仅增多了相对介电常数的偏差带来的影响，还带来了其它尺寸公差的影响。图2图3所示结构，由于绝缘衬套的附加，也增多了影响特性阻抗的因素，失去了作为阻抗基础的完全空气介质段，增大了VSWR。 4. 补偿不当带来的影响
在图1中，沿OO＇轴向看，从接口部到配接电缆处，内外导体上各有A B C E F G和A＇B＇C＇E＇F＇G＇六个阶梯，由于阶梯产生的不连续电容，对特性阻抗亦产生影响。从整体结构看，AA＇、EE＇阶梯是可避免的，应去掉，视绝缘支撑2为不当，则阶梯F＇G＇亦可减少，从而减少由于阶梯产生的不良影响。
在连接器与电缆的配接处，连接器内外导体均是表面光滑的铜导体，而电缆的外导体为皱纹铜管，内导体有的是直铜管，有的是皱纹铜管，内外导体间为聚乙烯螺旋支撑，因此在连接器与电缆的配接处，不仅存在着导体直径的突变，而且存在着导体结构型式、介
质结构型式的变化，需要对此进行补偿。在图1、2、3中如果把绝缘支撑2，绝缘衬套理解为采取的补偿措施的话，分别切割补偿段与切割电缆所获的截面结构如图4～7。
双支撑结构截面
外衬式结构截面
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随着科学技术的迅猛发展，电子设备的应用范围也日益广泛，几乎渗透到国民经济的各个部门，其中包括军事、公安、通讯、医疗等各个领域，所以电子设备的可靠性越来越引起人们的关心和重视。而接插件、继电器等电接触元件是电子设备中使用最多的元件之一。据不完全统计，一台电子计算机、雷达或一架飞机，其接点数都数以万计，而电子设备的可靠性与所用元件的数量、质量有着极为密切的关系。特别是在串联结构的电子设备中，任何一个元件、器件或节点的失效都有可能导致局部或各个系统的失效。本文侧重对射频同轴连接器、电缆组件的失效模式和机理进行了分析，并对如何提高其可靠性进行了较详细的讨论。&
二.射频同轴连接器、电缆组件的失效模式及机理&
目前国内、外使用的射频同轴连接器的品种虽很多，但从连接类型来分主要有以下三种：&
(1)螺纹连接型：如：APC-7、N、TNC、SMA、SMC、L27、L16、L12、L8、L6等射频同轴连接器。这种连接形式的连接器具有可靠性高、屏蔽效果好等特点，所以应用也最为广泛。&
(2)卡口连接型：如：BNC、C、Q9、Q6等射频同轴连接器。这种连接器具有连接方便、快捷等特点，也是国际上应用最早的射频连接器连接形式。&
(3)推入连接型：如：SMB、SSMB、MCX等，这种连接形式的连接器具有结构简单、紧凑、体积小、易于小型化等特点。&
虽然连接器品种很多，但是从可靠性的角度来分析，许多问题是相同的。本文侧重对目前应用最广泛、品种最多螺纹连接型的射频同轴连接器的失效模式和机理进行分析。根据我们十余年的实践，常见的主要失效模式有以下几种。&
2.1连接失效&
(1)连接螺母脱落&
在日常生活中，部分用户反映有时出现连接螺母脱落现象，致使影响正常工作，特别是小型连接器，如SMA、SMC、L6出现会更多些，经我们分析大致有下列原因造成：&
a.设计人员选材不当，为降低成本，误用非弹性的黄铜座卡环材料，使螺母易脱落。&
b.加工时，螺母安装卡环的沟槽槽深不够，所以连接时稍加力矩螺母即脱落。&
c.虽然材料选择正确，但工艺不稳定，铍青铜弹性处理未达到图纸规定硬度值，卡环无弹性，导致螺母脱落。&
d.使用人员在测试时，没有力矩扳手，而使用普通扳手来拧紧螺母，使拧紧力矩大大超过军标规定值，所以螺母（卡环）遭到损坏而脱落。&
(2)配对失误&
自改革开放以来，我国进口仪器不断增多，经常碰到用户反映，他们把市场上买到的Q9的电缆头误认为是国际上通用的BNC电缆头。因其形状和BNC电缆头完全一样，只是尺寸稍有差别，所以与进口仪器BNC不能兼容，这些现象也屡见不鲜。&
(3)内导体松动或脱落&
有些设计人员在内导体介质支撑处把内导体分为两体，然后用螺纹连接起来。但是对小型射频同轴连接器而言，内导体本身尺寸是Φ1～2mm，在内导体上加工螺纹，若不在螺纹连接处涂以导电胶，那么内导体连接强度是很差的。因此，当连接器在多次连接，在扭力和拉力长期作用下，内导体螺纹松动、脱落，致使连接失效。&
2.2反射失效&
(1)反射增大&
任何一种连接器都有一定的使用寿命。以SMA连接器为例，美军标和我国军标规定其寿命为500次。这是因为当连接器经长期使用，反复插拔超过500次后，插针、插孔已造成不同程度的磨损，接触已不是最佳状态，所以在使用时，反射可能急剧增加。许多用户较多的从经济角度考虑，把应报废的连接器仍然使用。这种做法是不可取的。因为超过使用寿命的连接器性能已明显下降，苦不及时更换新的连接器是难以保证测试精度和数据的可信度。&
在以往的工作中发现个别用户把N型50Ω插头误连到N型75Ω插座上。由于50Ω的插针直径远大于75Ω的插孔尺寸，致使插孔尺寸超过弹性极限，不能恢复到原来尺寸。别人再次使用发现开路，原来75Ω插座的插孔已损坏。&
在过去我们测试密封连接器时，发现少数连接器电压驻波比很大，个别的全反射。经反复仔细检查，此密封连接在焊接内导体时，焊锡流到玻璃绝缘子表面，造成全部或局部短路，使性能不合格。&
2.3电接触失效&
(1)插针、插孔不接触&
通常插孔零件材料应选用铍青铜或锡磷青铜做成，但有极少数生产厂为降低成本用59-1黄铜作插孔，因而插拔一、两次后插孔处于涨口状态，当再次连接插针、插孔时根本不接触。当然在我们工作中，即使都选用铍青铜作弹性件，但是由于在工作中检验不严，将铣槽后未收口的个别零件混入收口合格零件中，进行弹性处理并镀金，装配时又未发现，所以导致连接时不接触。直到测试时，才发现驻波很大，甚至全反射。经仔细检查，才发现将不合格插孔装在产品中。&
(2)接触不良&
接触不良常常导致信号时有时无，电性能时好时坏，这种现象在连接器使用中时有发生。原因有三：&
a.由于弹性处理时欠时效，零件硬度未达到图纸要求，所以在多次插拔后弹性逐渐松弛，接触压力明显下降，从而导致接触不良。&
b.发现少数批次有部分产品中插孔、插针超差，未达到图纸规定。例如，插针直径比图纸规定小了一点或插孔虽然已收口，但未达到图纸规定，尺寸略大了一些。当这种插针或插孔插合后，最容易产生接触不良（虽有接触力，但小于军标规定值）。&
c.插针、插孔使用时间过长，已严重磨损，这也是常见的现象。
/c_XGRSDQ/p4359267.html
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错开距离a的数值如何精确计算？目前尚未查到严格推导的理论计算公式。人们普遍采用下列的经验公式：
K=3.09（对于50&O空气线）或3.04（对于75&O空气线）。当时，
对于各种不同的过渡尺寸，K=3.09是否都是最佳值？适用频率范围达多少？这是本研究的又一重要内容。利用高精度驻波电桥和精密终端负载，取D=7，改变D1和a，对五种不同过渡比的转接器进行驻波比测试。尽管试验是初步的，但其结果颇能说明问题：
（1）取K=3.09，在FD1＜4GHz&cm的范围内，驻波比可小于1.05。这个经典结论无疑是正确的。
（2）对于不同的过渡比，K=3.09只是折衷值，未必都是最优值。K即a的数值对驻波比影响是极为敏感的。
（3）当K的数值最优时，对于同一给定的驻波比界限，可使工作频率范围大大拓宽，远远超过4GHz&cm。
因此，必须通过精心试验找出K的最优值并对过渡尺寸a严格控制，才能试制出宽频带低驻波比的连接器或转接器。
3. 连接器与电缆结合部的设计考虑
在 连接器与电缆的结合部，通常也存在着导体直径尺寸突变的情况。此外，对于配接广播电视系统和微波工程中广泛使用的皱纹管电缆的连接器来说，还存在着导体形 状的变化问题，即由光滑导体变为螺旋或圆环皱纹管状导体。这是这类连接器的特殊问题。如何计算皱纹管导体的有效直径？通常有两种算法，一种取算术平均值， 另一种取几何平均值。哪一种准确？本研究为此进行了一些试验，结果表明，电缆皱纹管内导体的等效外径比其算术平均值大5～7%，而皱纹管外导体的等效内径 比其算术平均值小2～3%。
为了获得最佳的驻波比性能，应使连接器和电缆的导体直径尺寸尽量接近。对于不可避免的导体直径突变，可按前述方法给予补偿。传输线导体形状由光滑变成皱纹时会不会引起附加的不连续电容？这个问题有待进一步研究。
4. 内导体连接间隙的控制
在射频连接器转接器中，导体的连接间隙是无法削除的。为不损坏连接器，降低成本，通常的设计是保证外导体连接间隙为0，允许内导体上存在一个连接间隙。这个间隙会引起附加反射，其容许值取决于驻波比性能要求。
理论分析计算和试验结果表明[6]，对于L16型同轴连接器，0.5mm的内导体连接间隙在10GHz时可能引起1.09的驻波比，在17GHz时可能引起 1.15的驻波比。这是不容忽视的数值。可见为了在10GHz以上获得低驻波比性能，必须严格控制连接器或转接器的内外导体轴向尺寸公差。
5. 导体尺寸公差和介电常数偏差的影响
导体尺寸公差和介质相对介电常数的偏差都会引起连接器特性阻抗偏差。对于50&O空气线：
对于50&O的介质线，
以 IF45型分米波连接器为例，设内导体尺寸公差为&0.05，外导体尺寸公差为&0.1，△&=&0.1，则空气段的阻抗偏差为&0.65&O，介质段的阻 抗偏差为&1.66&O，由此引起的电压驻波比分别为1.013和1.033。可见，为了获得低驻波比，必须适当控制导体尺寸公差精度，尤其要注意介质相对 介电常数的设计值与实际值的良好吻合。
四、设计宽频带低驻波比连接器的基本原则
设计宽频带低驻波比连接器必须遵循以下三个基本原则[3]：
1. 不要企求用提高或降低一段传输线的特性阻抗来补偿导体直径突变、导体槽缝或间隙等引起的不连续电容。为了获得最佳的宽带性能，通常应使连接器的每一长度单元上尽可能保持一致的特性阻抗。
2. 应首先使未被补偿的不连续电容减至最小，然后，对于每一个不可避免的不连续电容采取单独的共面或高抗补偿，并通过分离试验力求获得最佳效果。
3. 应通过结构设计或表面处理把机械公差、磨损和介质材料对驻波比的影响减至最小。
这三个原则有时会有矛盾，只能根据需要和可能折衷考虑。
五、结束语
研制低驻波比特别是精密型同轴连接器是一件很艰巨的工作，必须灵活应用原则，不断进行科学试验方能奏效。就驻波比研究本身来说，也还有大量的工作（包括测试方法的研究）可做。愿本文的发表能对这项工作起到促进作用。
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