高性能TNCJ型射频同轴终端负载的设计

1高性能TNC/J型射频同轴终端负载的设计中国电子科技集团公司第四十研究所乔长海李传龙摘要：基于同轴传输线的基本理论，对使用频率达18GHz的高性能TNC/J型射频同轴终端负载进行了设计。简述了该产品主要结构的设计方法，提出了一些设计时应注意解决的问题，进行了产品性能测试。关键词：高性能射频同轴终端负载设计1、引言射频同轴终端负载在无线电设备、电子仪器以及各种微波装备中得到了广泛的应用，在系统中，对空置的备用信道和测试端口进行阻抗匹配，既保证了信号的阻抗匹配，又大大减少了空置端口信号泄漏、系统间的相互干扰，是射频传输系统的重要组成部分之一，其性能的好环，将直接影响到整个系统的综合性能。随着科学技术的进步，装备、仪器等系统技术水平的提高，射频同轴终端负载在各类军、民用装备中的应用也越来越广泛，同时装备对射频同轴终端负载的电性能要求、环境适应性等方面的要求也越来越高（比如：在尽可能宽的频带内，具有最佳的电气性能；在严酷的环境中可靠工作等），这为射频同轴终端负载向高性能、高可靠方向的快速发展提供了需求条件。TNC系列射频同轴终端负载是一种特性阻抗为50Ω、螺纹连接（7/16-28UNEF）、外导体内径为6.5mm的射频同轴元件。其优点是螺纹连接能实现牢固、可靠的连接与配合，在冲击、振动等恶劣条件下，具有优良的性能稳定性。近年来，随着系统性能扩展的要求，TNC系列射频同轴连接器的技术水平获得了很大的突破，使用频率已经拓展到18GHz，电性能及耐环境适应性能也得到较大改善。同样也对TNC型接口的射频同轴终端负载提出了高性能要求。本文介绍的高性能TNC/J型射频同轴终端负载，就是为满足某些设备的需求而进行研制生产的。2、该产品的主要性能指标1)工作频率范围：DC～18GHz；2)特性阻抗：50Ω；3)温度范围：-65℃～165℃；4)电压驻波比：≤1.20；5)功率：1W；26)连接机构耐力矩：1.69N·m，min；7)非磁性材料的导磁率：μ＜2.0；8)中心接触件固定性：轴向力≥26.7N；9)耐盐雾：48h；10)连接器耐久性：500次。3、设计原理由于高性能TNC/J型射频同轴终端负载是一种特殊的射频同轴连接器，因此其主要的设计依据仍然采用同轴传输线的基本理论：dDdDZrrln60lg1380················（1）其中：ZO-----同轴传输线的特性阻抗（Ω）D------外导体内径（mm）d------内导体外径（mm）εr----介质相对介电常数同时，在设计过程中还要遵循以下三条原则：（1）在同轴线内部保持一致的特性阻抗。通常同轴传输系统是一个阻抗连续分布并保持不变的系统，如果阻抗发生变化，则会影响系统的性能。因此为了获得最佳的宽带性能，在同轴线的每一个横截面上，都必须尽可能地使特性阻抗等于标称值（本产品为50Ω）。（2）对于每一处不可避免的阻抗不连续，应采取补偿。在实际工程应用中，理想均匀的同轴传输线是不存在的，由于结构或其它原因，总是要变化同轴线的截面尺寸，因此在同轴传输线内，阻抗的不连续性总是不可避免的。所以在设计同轴连接器时，首先应将未补偿时的不连续性控制在最小，其次对这些不连续应采取适当的措施，进行处理，以获得高性能的产品。（3）尽量减小机械公差对电性能的影响。在同轴器件的制造过程中，导体、介质的尺寸公差（包括轴向公差、径向公差、形位公差及表面质量等）总是存在的。在设计时应将可能影响电性能的尺寸公差数减小到最少，且尺寸公差应控制的合理的范围内（统筹考虑产品性能、加工工艺性、生产成本等因素）。在制造过程中应保证设计要求的精度等级，并尽量保证零件尺寸的一致性，以利于得到高性能、高可靠的产品。31.32～1.377.98～8.080.08～1.025.28min0～1.027/16-28UNEF-2B基准面4、结构设计与相关计算4.1界面结构TNC系列射频同轴连接器的界面结构已经比较成熟，在IEC60169系列标准和MIL-C-39012系列标准中做出了详细规定：有插针接触件连接器界面、插孔接触件连接器界面；有0级、2级连接器界面；有使用频率为11GHz连接器界面、使用频率为18GHz连接器界面。本产品采用GJB5246-2004《射频连接器界面》中的TNCA系列插针接触件连接器界面，其中外接触件采取不开槽结构，以利于保证其主要性能指标-----宽带条件下的电压驻波比性能，界面结构见图1。图1界面尺寸4.2扩频设计对于任何一种射频同轴连接器来说，最关键的尺寸为外导体的内径尺寸，该尺寸与内导体的外径尺寸、介质尺寸一起决定了该连接器的特性阻抗和截止频率。也就是说，射频同轴连接器的结构形式决定了其截止频率，并可通过以下公式进行计算：rcdDCf)(20·············（2）其中：fc——连接器的截止频率（GHz）C0——电磁波在真空中的传播速度（3×108m/s）D——连接器外导体内径（mm）d——连接器内导体外径（mm）εr——绝缘介质的相对介电常数由公式（2）可以看出：要想提高射频同轴连接器的上限截止频率fc，可以通过缩4小D和d（但应保证D/d不变，即保证特性阻抗不变）和减小εr来实现。该产品内、外导体及支撑介质的结构形式见图2，相关尺寸、特性阻抗及上限计算结果见表1。CCBBAA图2内、外导体及支撑介质的结构表1外导体内径D（mm）内导体外径d（mm）介质的相对介电常数εr特性阻抗ZO（Ω）上限截止频率fc（GHz）截面A-A5.351.652.0249.6619.21截面B-B6.02.6150.1722.22截面C-C3.51.52150.0438.064.3宽带低电压驻波比设计电压驻波比是射频连接器性能的一项重要指标，为了保证连接器获得较低的电压驻波比，应重点解决好连接器阻抗的匹配与连续。因此在设计连接器时，应尽量使内、外导体的结构简单、尽量减少阻抗不连续点，这样对连接器阻抗的均匀性比较有利。但是，往往由于结构上的需要，内导体等零件上必须有台阶过渡，以便各个零件间的安装与定位，这样就形成了阻抗不连续点，在这些点上必然会引起反射，直接影响连接器的电压驻波比性能，对于这些结构上不可避免的阻抗不连续点，应采用合理的方法进行改善。高性能TNC/J型射频同轴终端负载的内、外导体直径的变化在连接器界面配合段、内导体的固定段（聚四氟介质支撑）、内导体与电阻连接过渡段，见图3。界面配合段的设计按照GJB5246-2004，过渡段的方式全部采用直角过渡方式（见图中Ⅰ、Ⅱ处），其优点是加工、测量方便，尺寸精度容易控制与实现。采用错位补偿方式进行补偿，错位间隙在0.5～1.0mm之间。5ⅡⅠ电阻内导体介质外导体图34.4电阻段结构的处理该产品采用的电阻功率为1W，阻值为50Ω，外形尺寸较小，仅为φ1×3。由于电阻的阻值与电阻长度为线性关系（假设电阻各段均匀），随着长度的增加，阻值逐渐增大，直至50Ω，也就是说，阻值不是恒定值，而是一个变化值，这与设计原则1是不符的。因此在电阻段应采取合理的方式进行适当的处理；又由于电阻本身很短，又必须有必要的固定段和错位补偿段，所以可采取措施的空间很小（见图4），更增加了处理的难度。经过多次试制、测试摸底，采用斜面过渡方式（见图4），θ值在30°～40°之间，并受斜面长度尺寸精度的影响较大。因此，此段的尺寸精度的控制非常关键，对整个产品的电气性能影响比较大。θ图4为了提高电阻段外导体与前段外导体之间的接触的可靠性以及尽量减小材料体电阻的影响，外导体2口部采取弹性结构（图5）。经过生产与誓言验证，这种结构提高了与外导体1的接触可靠性，改善了产品的性能。在外导体2开槽时应控制开槽的宽度（最好不要超过0.2mm）否则将对产品的电压驻波比性能产生不利的影响。6外导体1外导体2电阻图54.5插针接触件的固定插针接触件的固定性是影响该负载电气性能的关键因素之一，固定性差（尤其是轴向），在使用时将影响产品界面的稳定性，直接导致关键技术指标的降低。本产品的使用频率较高，如果全部采用台阶或倒刺等方式进行定位，对产品的电压驻波比性能将有一定的影响。根据该产品的结构特点及使用时内导体的受力情况，内导体径向定位采用过盈配合方式（绝缘支撑与内、外导体分别过盈配合）；采用一个绝缘支撑和电阻配合实现对插针接触件的轴向固定。为此，我们专门对所采用的电阻的相关性能进行了摸底试验。本产品的接触件固定性要求的轴向力应不小于26.7N。主要考虑电阻能否直接承受这么大的压力；在承受压力过程中和受压力后的主要电参数—阻值的变化量。考虑到安全系数，在对电阻进行测试时采用了40N（约为最小规定值的1.5倍）的压力。电阻在承受40N的压力过程中阻值最大变化量为0.22Ω；在500次压力作用后，阻值最大变化量为0.13Ω。可见，该电阻的阻值在受力过程中、受力后的变化都很小，基本不会影响到该产品的电气性能，因此决定利用电阻受力对插针接触件实现轴向固定（具体结构见图6）。顶丝外导体介质内导体电阻图6插针接触件的固定75、测试结果经过以上结构设计，我们进行了产品的试制、装配，并按有关要求对产品进行了试验验证，测试结果全部达到了预期的目标，满足了使用要求，其中电压驻波比性能的测试结果见表2（4只测试样品），1#样品的测试曲线见图7。表2电压驻波比测试结果频率点样品(GHz)46810121416181#1.031.061.051.051.081.041.081.182#1.041.071.041.051.071.051.071.173#1.031.061.041.051.081.031.061.174#1.031.061.041.051.081.041.061.16图71#样品的电压驻波比测试曲线86、结论分析基于射频同轴连接器的设计理论对高性能TNC/J型射频终端负载进行了结构设计，通过试制、试验证明：设计思路正确、结构合理，性能指标达到了设计目标。高性能TNC/J型射频同轴终端负载，体积小、重量轻，频带宽、性能优，互换性好。在该产品的制作过程中，尺寸精度的控制，尤其是电阻段小型零件的尺寸精度、位置精度非常重要，对产品的电压驻波比性能影响很大，应更加关注、控制。参考文献：1.李明德.扩频连接器与扩频方法.《连接器与开关第七届学术会议论文集》2002年。2.GJB5246-2004《射频连接器界面》。3.王一夫.射频同轴连接器的设计要点.《射频连接器设计及论文汇编》2005年。作者简介乔长海，男，1969年生，高级工程师。1992年，毕业于西安交通大学，从事连接器设计、制造、标准化研究工作。联系方式：电话[phone]E-mail：[e-mail]李传龙，男，1965年生，高级工程师。从事连接器设计、试验研究工作。