杜光琴，張棟宇，蘭瑞林

(陜西華達(dá)科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 前言

SMP系列內(nèi)雙陰轉(zhuǎn)接器主要應(yīng)用于板間連接，常采用兩端為固定的SMP插頭連接器，中間采用SMP雙陰轉(zhuǎn)接器，利用轉(zhuǎn)接器的軸向和徑向的浮動(dòng)量，從而保證器件的連接可靠，如圖1所示。它具有體積小、接觸可靠、機(jī)械電氣性能優(yōu)越、快速連接等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星和民用通訊中。同時(shí)，隨著用戶(hù)對(duì)SMP系列內(nèi)雙轉(zhuǎn)接器的使用頻率要求越來(lái)越高，電壓駐波比指標(biāo)要求越來(lái)越低。對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種高性能雙陰轉(zhuǎn)接器。

圖1 SMP雙陰轉(zhuǎn)接器使用圖

2 主要技術(shù)指標(biāo)

產(chǎn)品的主要指標(biāo)如下：

b) 頻率范圍：DC～40GHz；

c) 溫度范圍：-65℃～+165℃；

d) 介質(zhì)耐電壓：500V.rms；

e) 電壓駐波比(VSWR)：DC～12.4GHz，VSWR≤1.15；12.4 GHz～18GHz，VSWR≤1.20；18GHz～26.5GHz，VSWR≤1.35；26.5GHz～40GHz，VSWR≤1.45；

3 產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

SMP型射頻連接器是一種通用毫米波射頻連接器，由于其連接器界面尺寸成熟，并且通過(guò)大量的試驗(yàn)及使用證明，SMP型內(nèi)外導(dǎo)體直徑尺寸，內(nèi)外導(dǎo)體接觸尺寸規(guī)定的要求是有效、可行、可靠的，故本次產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要是產(chǎn)品固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、低反射系數(shù)的設(shè)計(jì)。

3.1 轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于產(chǎn)品的使用溫度最高為165℃，為了保證產(chǎn)品的使用要求和產(chǎn)品中心接觸件的固定性，SMP型雙陰轉(zhuǎn)接器采用咬合結(jié)構(gòu)， 外殼為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，插孔、絕緣子相互咬合, 絕緣子壓入外殼中，這樣任意一端受力時(shí)，不發(fā)生軸向位移，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖2示。

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圖2 SMP型雙陰轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)示意圖

SMP型雙陰轉(zhuǎn)接器兩端接觸頭劈槽部分孔壁較薄，在零件加工后兩端劈槽部分的切削層都存在殘余應(yīng)力，為了減小或者消除殘余應(yīng)力對(duì)零件強(qiáng)度的影響，轉(zhuǎn)接器劈槽部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)兩端錯(cuò)位45度(如圖3所示)。從而使應(yīng)力在加工過(guò)程中逐漸釋放，減小應(yīng)力的變形。并且為了保證插合強(qiáng)度及插合力量。

圖3 SMP型雙陰轉(zhuǎn)接器兩端劈槽示意

3.2 中心接觸件固定性的設(shè)計(jì)

中心接觸件的固定性是射頻同軸轉(zhuǎn)接器有一項(xiàng)重要的指標(biāo),為了保證中心接觸件固定性，轉(zhuǎn)接器必須采用合理的中心導(dǎo)體固定方式，防止內(nèi)導(dǎo)體竄動(dòng)，產(chǎn)品失效。產(chǎn)品常用的固定方式為環(huán)氧樹(shù)脂灌封固定和滾花倒刺固定結(jié)構(gòu)。如圖4所示：

a)環(huán)氧樹(shù)脂灌封固定 b)滾花加倒刺結(jié)構(gòu)圖4 常用轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)

由于轉(zhuǎn)接器溫度范圍為-65℃～165℃，并且產(chǎn)品尺寸小，為了滿(mǎn)足溫度范圍和尺寸要求，保證轉(zhuǎn)接器的性能指標(biāo)，提高插孔、絕緣子固定性能力，SMP雙陰轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)時(shí)采取絕緣介質(zhì)、插孔采用相互咬合結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，外殼采用臺(tái)階結(jié)構(gòu)，絕緣子壓入外殼中，從而保證任何一端受力后內(nèi)導(dǎo)體不出現(xiàn)位移。同時(shí)為了為了保證插頭、插座對(duì)插時(shí)不出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，在插合部位設(shè)計(jì)時(shí)插孔與絕緣子采用一段松配合。

3.3 低反射系數(shù)的設(shè)計(jì)

影響SMP雙陰轉(zhuǎn)接器反射系數(shù)主要因素(如圖5所示)為：絕緣支撐的設(shè)計(jì)、零件加工精度及界面的吻合程度。

圖5 反射系數(shù)的主要影響因素

3.3.1 絕緣支撐的設(shè)計(jì)

為了固定產(chǎn)品內(nèi)導(dǎo)體，保證內(nèi)、外導(dǎo)體同軸度，必須引入固體絕緣介質(zhì)，同時(shí)絕緣子作為產(chǎn)品中的傳輸介質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品的整體電性能有較大的影響。

絕緣子設(shè)計(jì)主要有兩方面的設(shè)計(jì)流程如圖6所示：絕緣子材料的選擇和絕緣子的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

圖6 絕緣支撐的設(shè)計(jì)流程

1)絕緣材料的選擇及處理

SMP型雙陰轉(zhuǎn)接器采用的絕緣材料為聚四氟乙烯，聚四氟乙烯材料雖然電性能穩(wěn)定，但熱膨脹系數(shù)大，受溫度影響較大。針對(duì)此特性，絕緣子在加工時(shí)首先按照使用溫度范圍對(duì)聚四氟乙烯介質(zhì)進(jìn)行高低溫循環(huán)預(yù)處理；其次外殼設(shè)計(jì)時(shí)留出一定的空間，從而預(yù)防處理后絕緣子進(jìn)行溫度沖擊時(shí)產(chǎn)生的較小變化。

2)絕緣子的補(bǔ)償設(shè)計(jì)

在同軸線傳輸過(guò)程中，內(nèi)導(dǎo)體直徑不發(fā)生變化時(shí)，電力線是垂直于內(nèi)外導(dǎo)體的表面，并且分布勻稱(chēng)。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證內(nèi)導(dǎo)體中心接觸件的固定性，連接器的內(nèi)外導(dǎo)體至少有一個(gè)發(fā)生會(huì)在尺寸上發(fā)生改變。內(nèi)外導(dǎo)體直徑一旦出現(xiàn)階梯變化，電力線沒(méi)辦法保持均勻，所以就破壞連接器內(nèi)部磁場(chǎng)的分布，產(chǎn)生了不連續(xù)電容。如圖7所示。

圖7 階梯變化引起場(chǎng)強(qiáng)變化

為了保證產(chǎn)品的性能指標(biāo)要求，產(chǎn)品絕緣子設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)產(chǎn)生反射的部位進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，補(bǔ)償設(shè)計(jì)首先利用傳輸線設(shè)計(jì)理論公式進(jìn)行理論計(jì)算，得出理論計(jì)算值；其次利用仿真軟件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。利用仿真軟件對(duì)不連續(xù)部位補(bǔ)償尺寸進(jìn)行調(diào)整，找出影響產(chǎn)品電性能的關(guān)鍵地方，在產(chǎn)品的后期設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)對(duì)此尺寸進(jìn)行控制。

使用仿真軟件建立的電磁仿真模型如圖8所示；

圖8 仿真模型圖

仿真結(jié)果如圖9所示：

圖9 SMP雙陰轉(zhuǎn)接器仿真結(jié)果圖

從圖9可以看出：電磁仿真中產(chǎn)品電壓駐波比滿(mǎn)足用戶(hù)要求。根據(jù)產(chǎn)品仿真結(jié)果和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需求，最終確定絕緣子外形結(jié)構(gòu)如圖10所示：

圖10 絕緣外形結(jié)構(gòu)圖

3.3.2 零件精度的設(shè)計(jì)

轉(zhuǎn)接器內(nèi)外導(dǎo)體的同軸，內(nèi)外導(dǎo)體的公差都會(huì)能導(dǎo)致轉(zhuǎn)接器特性阻抗偏離設(shè)計(jì)的計(jì)算值，最終影響轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)，為了保證轉(zhuǎn)接器的精度要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)接器的同軸度，零件尺寸公差控制都加嚴(yán)，從源頭上降低轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)。同時(shí)，雙陰轉(zhuǎn)接器插孔接觸件由于彈性的設(shè)計(jì)要求需要劈槽、收口，插孔接觸件的虛線部分即直徑發(fā)生變化部位，從而引起特性阻抗的變化，直接影響連接器的電壓駐波比性能。產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)彈性接觸件部位由于劈槽導(dǎo)致的直徑變化進(jìn)行有效補(bǔ)償，以便在收口及插合后最大程度上獲得最小的阻抗變化，補(bǔ)償結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖11。

圖11 彈性?xún)?nèi)導(dǎo)體接觸件口部形狀示意圖

3.3.3 界面吻合程度

SMP插頭插座插合后，內(nèi)外內(nèi)導(dǎo)體之間要接觸緊密，如果有間隙(如圖12)存在將增大轉(zhuǎn)接器間的反射系數(shù)，因此，轉(zhuǎn)接器界面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)在滿(mǎn)足GJB5246界面尺寸基礎(chǔ)上，對(duì)此轉(zhuǎn)接器界面尺寸進(jìn)行加嚴(yán)控制，減小間隙的距離，并對(duì)間隙產(chǎn)生的不連續(xù)電容進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)。

圖12 內(nèi)導(dǎo)體間隙圖

a)優(yōu)化前電壓駐波比測(cè)試結(jié)果b)優(yōu)化后電壓駐波比測(cè)試結(jié)果圖13 優(yōu)化前后電壓駐波比測(cè)試結(jié)果

4 設(shè)計(jì)過(guò)程中解決的問(wèn)題

轉(zhuǎn)接器加工后測(cè)試轉(zhuǎn)接器電壓駐波比，測(cè)試結(jié)果如圖a所示，電壓駐波比低頻段不滿(mǎn)足戶(hù)要求，根據(jù)初樣結(jié)果，重新對(duì)轉(zhuǎn)接器進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，經(jīng)過(guò)多次優(yōu)化，最終將內(nèi)導(dǎo)體卡環(huán)槽公差進(jìn)行調(diào)整，對(duì)改進(jìn)后結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)接器測(cè)試轉(zhuǎn)接器電壓駐波比，測(cè)試結(jié)果如圖13所示，由圖13可以看出：改進(jìn)后轉(zhuǎn)接器電壓駐波比滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

5 結(jié)論

SMP雙陰轉(zhuǎn)接線性能穩(wěn)定，結(jié)構(gòu)合理，可靠性高，用戶(hù)驗(yàn)證使用反應(yīng)良好。市場(chǎng)前景良好。