集束多路射頻電連接器的設(shè)計

1束高密度快速更短的傳輸組件隨著軍事電子設(shè)備的尺寸的減小，設(shè)備中所有設(shè)備的集成度都需要增加，體積也越小。集束高密度快速互連微波傳輸組件由于具有體積小、重量輕、快速盲插、高密度排列、集成度高、頻帶寬等特點，廣泛用于射頻信號的傳輸和連接。本文根據(jù)用戶的特定需求，設(shè)計一種多路射頻電連接器，該連接器節(jié)省設(shè)備空間，同時具有多路信號同時傳輸功能，保證整個系統(tǒng)的正常運行。2傳輸通道工作頻率：20GHz;特性阻抗：50Ω；電壓駐波比：≤1.2;傳輸通道：5～8路可以單路拆分的功能；接口特性：連接器接口可以更換功能。3結(jié)構(gòu)設(shè)計3.1射頻傳輸元件接口改造受到雷達(dá)內(nèi)部安裝尺寸限制，集束射頻電纜組件模塊插合高度尺寸不允許超過20mm，需要在已確定的尺寸空間內(nèi)排布合理的組件模塊方案。通過將固定定位部件和互聯(lián)互配元件一體化設(shè)計，對射頻傳輸元件接口進(jìn)行改型，既可以滿足高密度排列、又可實現(xiàn)單路分別對接的要求。本產(chǎn)品模塊內(nèi)部為接口可調(diào)換的射頻轉(zhuǎn)接器，可與不同接口的電纜組件進(jìn)行對接，設(shè)計方案見圖1，圖中所示為SMP接口轉(zhuǎn)ZSBMA接口連接器。3.2由孔連接至安裝固定板裝置在母板上，通過螺釘來連接。母板與雷達(dá)陣面背板連接。母板與固定板、固定板與背板之間通過不同的螺釘孔連接，以保證螺釘不會受到剪切力。固定板上設(shè)計兩排安裝孔，用于與對端的盲插連接器法蘭孔安裝，固定板也有多種尺寸可供選擇，可以根據(jù)母板中安裝的射頻連接器接口尺寸以及配接連接器的法蘭尺寸來選型。在設(shè)備工作過程中引起的振動不會再影響電連接器的緊固性，使設(shè)備系統(tǒng)穩(wěn)定的運行，滿足產(chǎn)品復(fù)雜的環(huán)境要求，模塊安裝方案如圖2所示。3.3設(shè)備結(jié)構(gòu)設(shè)計3.3.1接口點采用兩端不同的接口整個模塊的內(nèi)部連接器全部設(shè)計為可通用、可統(tǒng)一替換形式，除在母板中固定的直角彎式轉(zhuǎn)接器為固定部分外，直角彎式轉(zhuǎn)接器的兩端均可以與不同互聯(lián)元件進(jìn)行組合而形成不同的接口。該方案的優(yōu)點是可以實現(xiàn)同一個模塊中有多種不同的接口，可接盲插界面（SBMA、SMP等）、螺紋式界面（SSMA）、卡口式界面等，又可以根據(jù)用戶的實際使用需求進(jìn)行調(diào)整，直接接電纜組件，如圖3所示：3.3.2等直徑彎曲設(shè)計連接器直角彎式結(jié)構(gòu)中間外殼為固定部分，設(shè)計難點在于內(nèi)導(dǎo)體及絕緣介質(zhì)的結(jié)構(gòu)設(shè)計。由于結(jié)構(gòu)零部件中內(nèi)導(dǎo)體、絕緣支撐不可避免地存在彎角或直角過渡，過渡部位每一小段的幾何尺寸都各不相同，由此會產(chǎn)生嚴(yán)重的阻抗不連續(xù)現(xiàn)象，從而會引起反射系數(shù)及電壓駐波比的增大，因此必須采取一定的補償措施。本設(shè)計中內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)彎處采用一體式結(jié)構(gòu)設(shè)計，并且內(nèi)導(dǎo)體轉(zhuǎn)彎部分為等直徑彎曲，同時采用兩個楔形絕緣支撐在裝在內(nèi)導(dǎo)體上。彎式結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。內(nèi)導(dǎo)體一體式結(jié)構(gòu)可以增加產(chǎn)品可靠性；等直徑彎曲可以提高產(chǎn)品電性能。對于等直徑彎曲，可以通過工藝技術(shù)實現(xiàn)；絕緣支撐尺寸先根據(jù)理論公式計算得出理論值，再用仿真軟件用變量法得出最優(yōu)值。射頻信號在傳輸時沿著外導(dǎo)體的內(nèi)表面，中心導(dǎo)體的外表面之間的腔體傳輸，以TEM模單模的方式傳輸式中：f為了使連接器達(dá)到更寬的頻帶，設(shè)計時，在保證連接器內(nèi)外導(dǎo)體機械強度的條件下，盡可能的縮小內(nèi)、外導(dǎo)體直徑；同時在絕緣介質(zhì)材料的選擇上使用相對介電常數(shù)較小的聚四氟乙烯材料；在結(jié)構(gòu)設(shè)計上，連接器直角轉(zhuǎn)彎處采用空氣、聚四氟乙烯混合介質(zhì)，擴(kuò)大空氣的占空比，達(dá)到降低相對介電常數(shù)的目的；在絕緣支撐軸向設(shè)計上，調(diào)整絕緣支撐在連接器內(nèi)的軸向位置，盡量避免絕緣支撐間發(fā)生的諧振問題；同時在內(nèi)、外導(dǎo)體突變的每個阻抗不連續(xù)處采用合適的補償，提高產(chǎn)品電氣性能，從而達(dá)到提高連接器工作頻率的目的。根據(jù)射頻同軸連接器設(shè)計三原則，在充分滿足用戶需要的情況下，采用最簡潔可靠的設(shè)計結(jié)構(gòu)，減少反射點的存在，在每一阻抗變換處進(jìn)行補償，使每一段的阻抗都與標(biāo)稱阻抗相符，保證傳輸線阻抗的均勻性，達(dá)到在盡可能寬的頻帶內(nèi)，有最佳的電氣性能。特性阻抗：式中：Z-特性阻抗；D-外導(dǎo)體內(nèi)徑；d-內(nèi)導(dǎo)體外徑；ε-相對介電常數(shù)。本產(chǎn)品中采用的聚四氟乙烯材料介電常數(shù)為2.02～2.04，設(shè)計內(nèi)導(dǎo)體直角彎處直徑φ1.27mm，根據(jù)同軸線橫截面的特征阻抗50Ω計算公式（3.2）計算出外導(dǎo)體絕緣支撐的內(nèi)徑為φ4.1mm。利用截止頻率的計算公式，驗證內(nèi)、外導(dǎo)體尺寸的選定是否合理。本產(chǎn)品的上限工作頻率達(dá)20GHz，要保證連接器的單模截止工作頻率f4連接器的仿真為保證產(chǎn)品質(zhì)量，在連接器設(shè)計過程中，用HFSS軟件對該產(chǎn)品的電壓駐波比及插入損耗進(jìn)行了微波仿真如圖5所示為傳輸通道的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖，其中在直角彎處為三角形絕緣子過渡補償部位，對直角彎式結(jié)構(gòu)帶來的特性阻抗的不連續(xù)性，進(jìn)行計算仿真通過對關(guān)鍵尺寸設(shè)置變量進(jìn)行優(yōu)化仿真，仿真結(jié)果圖如圖6，根據(jù)仿真結(jié)果最終確定連接器的尺寸。5hfss三維仿真軟件介紹本文論述了多路射頻電連接器模塊的設(shè)計和實現(xiàn)，針對模塊安裝使用空間小、輕量化的要求，設(shè)計了固定定位元件母板和固定板，實現(xiàn)了可模塊化安裝更換，可單路單獨調(diào)試的整體結(jié)構(gòu)；通過理論計算驗證結(jié)構(gòu)合理性，采用HFSS三維仿真軟件針對連接器射頻通道進(jìn)行建模及仿真，通過設(shè)置變量的方法，根據(jù)仿真結(jié)果最終確定連接器的尺寸。AnsoftHFSS(HighFrequencyStructureSimulator）是Ansoft公司著名的三維微波電磁仿真軟件，具有強大的建模功能、豐富的材質(zhì)庫和模型庫，這使得建