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1、SMA直角转接器的设计陈肇扬，王新恩【摘要】 本文主要是通过几年来对SMA直角转接器的研制情况总结，阐述其设计原理，提出过渡模式，总结出一个经验公式，并简单地介绍一下一些特殊工艺及性能特征。一、前言在微波同轴连接器系列中，直角转接器是一种必不可少的元件，随着我国电子工业的不断发展，引进设备的日益增多，对微波同轴元器件提出高精度、小型化的要求。近几年来我们开始研制SMA型射频同轴连接器系列，到目前为止，已有数十个品种、规格、本文主要是介绍SMA直角转接器的研制情况，阐述它的设计原理、设想它的过渡模式，总结出一个经验公式，并简要地介绍在制造过程中的一些特殊工艺及SMA直角转接器的主要性能特征。二、
2、设计原理众所周知，当微波讯号，从同轴线传输到直角转弯处时，从场论的观点来看，必定产生畸变，这主要是因为直角转弯处可以看成为由二段同轴线直角相交而成，它的电力线分布如图1所示。显然，在直角转弯处，场是不均匀的。而我们的目的是，当TEM波传输到直角转弯处时，具有低的输入反射，要求不产生高次谐波。但在这样的过渡段中，传输的波已不再是纯的TEM波，可能激发出高阶模。储藏了电抗性能量，在直角转弯处呈现一个电抗。在设计过程中，要是没有考虑到这一点，就可能使直角转接器的性能变坏。图 1当然，若用耦合波理论来解决这个问题也是可以的。那就必须找到一个适当的分布函数，使它仅仅在要求的给定频率范围之中，反射系数总小
3、于某一个给定的极大值。但是，对于工程技术人员来说，即使寻找出这个分布函数，要加工出符合这个分布函数边界条件的零件是很不容易的事。因此，我们认为，用寻找适当的分布函数方法来解决直角过渡问题似乎太烦杂，也没有必要。我们觉得，用物理概念来解决似乎比较方便一点。即只要找出一个适当的方法，以补偿过渡段中不可避免存在的不连续电容所引起的电抗，达到整个传输段在要求的给定频率范围之内，反射系数总小于某一个给定的极大值。根据这个设想，我们拟就高阻抗补偿模式来解决直角过渡问题。它的原理就象串联一个电感，以补偿不连续电容，达到减少反射系数的目的，使研制出的SMA直角转接器符合设计的要求。虽然拟用高阻抗补偿模式，可就
4、补偿方法来说，有多种多样，以往在研制较大型的直角转接器时，如L16，L27，L36等直角转接器，一般是将直角转弯处的内导体切割为一个45的斜角，如图2所示。这个切割量的多少，只能根据实验数据来最后确定。这种补偿方法也可以达到比较满意的结果，因而，就目前情况来说，它不失为一种比较方便的补偿方法。图 2 然而，对于SMA直角转接器，其内导体直径只有1.27mm，若要采用切割内导体为45斜角的方法，在工艺上就难以实现，况且由于尺寸小，所产生的相对误差就大，使性能的一致性受到影响。因此，我们设想在直角转弯处的一侧(即在一段同轴线与另一段同轴线交汇的直角转弯处一侧)，提高阻抗的办法来补偿，如图3所示。图
5、 3在试验时，我们将其补偿阻抗分别取为58,54和50三种情况进行对比试验，经测验表明特性阻抗为54的补偿，在整个给定的频率范围内(218GHz)的电压驻波比是符合设计要求的，基本上达到美军标MIL-A-55339/2中规定的电压驻波比公式=1.05+0.01f(GHz)的标准，请看下列实际测试数据及实测曲线附图1, 2。电压驻波比(最大值)表补偿段阻抗06GHz612.4GHz12.418GHz581.171.321.32541.091.221.25501.131.241.50经过多次试验论证，可以得出这样结论，当一段同轴传输线直角地过渡到另一段同轴传输线时，只要将其中一段同轴传输线在直角交
6、汇处将其阻抗提高为原来的特性阻抗的1.08倍亦可。其经验公式可写为 (为同轴传输线的特性阻抗)三、特殊材料及其特殊工艺1. 因为我们研制的SMA直角转接器，其头部尺寸完全符合美军标MIL-C-39012的要求，所以，它的插针段的外导体壁厚仅0.25mm，故必须采用机械强度较好的金属材料。为了便于加工，我们选用易切不锈钢材料(1Cr18Ni1oS)。2. 整体外壳的加工。由于可将SMA直角转接器看成为二段同轴传输线直角相交，所以，为方便加工，我们按设计要求，分别加工出两个同轴传输线段外导体，而后，应用银焊方法将它焊接成直角相交型。为保证同轴度和垂直度，在焊接时，应用特制的工夹具。3. 内导体的装
7、接。SMA直角转接器的内导体分别由二个聚四氟乙烯绝缘子支撑着，而二根内导体在直角转弯处用锡焊连接。为了便于锡焊，在整个转接器的外壳壳体的一侧开一个焊接工艺孔，待内导体焊接完毕，再用盖板将工艺孔封住。几年来，我们研制的SMA直角转接器，经过全面的例行试验，各项性能已基本上达到美军标MIL-A-55339/A的规定。并已广泛地被应用到通讯导航、微波仪器等设备中，经多家用户的使用，认为我所研制的SMA直角转接器完全可以代替进口的同类产品。参考文献 1 “波导渐变器过渡器和耦合器”F波斯菜德. H-G翁格尔著，科学出版社 1984年 2 “耦合模和参量电子学”WH卢瑟著，上海科学技术出版社 1964年
8、Q9型BNC型射频连接器结构分析对比李明德【摘要】 本文给出在目前国内外流行的该类射频连接器三种不同的结构。通过对影响电压驻波比、机械寿命和可靠性的结构分析对比，经过试验验证，优选出电压驻波比低、机械寿命长和可靠性高的最佳结构。为提高我国该型射频连接器产品质量，达到国际标准提供了依据。一、引言Q9型射频连接器和BNC型射频连接器是命名方法不同，是国内外流行的同类型小型卡口连接的射频连接器。“Q9型”是按我国部颁标准SJ498-83射频连接器型号命名方法命名的。符合SJ500-83部颁标准。“BNC型”是在国际上习惯称呼的“外导体内径6.5mm(0.256吋)特性阻抗50的卡口式射频同轴连接器”
9、。符合IEC169-8标准。都是用在无线电设备和电子仪器的高频回路中起机械连接并传递高频信号的机电元件。它们的特点是采用卡口式连接机构，适用于低功率，便于快速连接和断开。它是目前国内外用途最广、批量最大、生产厂家最多的产品之一。二、三种不同的结构射频连接器的结构主要是由接触件(内导体：插针、插孔；外导体：外壳)绝缘体、电缆夹紧装置和头、座连接机构所组成。到目前为止，从有关资料看，在国内外流行和生产的该型射频连接器插头的结构，按外壳的特征分主要有三种。暂定为：点铆式结构如图1；凸肩式结构如图2；凸缘凸肩式结构如图3。图 1 点铆式结构图 2 凸肩式结构图 3 凸缘凸肩式结构三、结构分析1. 决定
10、电压驻波比(VSWR)的结构分析在设计射频连接器时，视连接器为一短段同轴传输线，其特性阻抗由下式决定： (1)理论和实践告诉我们，特性阻抗的变化，即电介质的介电常数和内导体的直径外导体的直径的变化，是影响电压驻波比的主要因素。从图13三种结构看，决定电压驻波比的结构主要可分为两种，图1为一种，图2和图3为另一种。八五年电子工业部标准化研究所对全国主要生产Q9型射频连接器的厂家进行了一次集中测试。从参加的九厂家看，按点铆式生产的有七厂家，按凸肩式生产的有两厂家。取七厂家中电压驻波比测试结果最好的两厂家与按凸肩式结构生产的两厂家做对比，综合测试结果取其算术平均值如表1。产品型号：Q9-J5、Q9-
11、KY5 表1 频率VSWR算术平均值结构形式0.5GHz1GHz2GHz3GHz4GHz点铆式8对1.0701.0831.0851.1551.254凸肩式8对1.0691.0831.0701.0951.145用曲线表示如图4：图4 VSWR与f关系曲线由表1和图4可见，对于电压驻波比点铆式结构虽然能满足部标要求(VSWR1.3，04GHz)，但处于临界状态几乎无余量。而凸肩式结构不仅能满足标准要求，且有一定的余量。尤其在高频段差距越来越大。两种结构在电压驻波比性能上的差别，可以用射频连接器设计原则1(见资料5)来解释。即在同轴线的每一长度单元上尽可能地使特性阻抗等于标称阻抗。在图1中根据公式(
12、1)： 在图2中：可见图2凸肩式结构的特性阻比图1点铆式结构的特性阻抗更接近标称阻抗50。由以上分析可见，在电压驻波比性能上，凸肩式结构优于点铆式结构。2. 弹性零件的结构分析在射频连接器的设计中，为了使插头和插座之间获得良好的电接触，通常把插头的外壳与插座的外壳接触部分设计为弹性结构。图1和图2是目前在我国流行的Q9型的结构。图3是国际上流行的BNC型的结构。对八五年全国集中测试所提供的数据进行归纳整理。采用点铆式结构七厂家28对样品，采用凸肩式结构二厂家8对样品进行例行试验后，点铆式结构普遍存在着外导体接触电阻明显增大，有的厂家甚至弹性花片张开失效中途更换。而凸肩式结构的两厂家8对样品经过
13、同样的例行试验后，接触电阻变化不明显，没有出现与外导体结构有关的质量不合格现象。可见凸肩式结构在机械寿命和可靠性方面均优于点铆式结构。尽管各厂家存在着各种差别，但从弹性力学和材料力学的观点看由于采用的结构不同是造成各种试验中接触电阻偏大甚至失效的主要原因。对点铆式结构中的弹性部分进行分析。视弹性结构部分是截面为扇形的简单悬臂梁结构。当零件处于工作状态时，端部受到一个正压力。在正压力的作用下，其最大弯曲应力集中在悬臂梁开槽部位的根部。而点铆式结构其点铆点也正在根部。由于点铆，必出现点铆凹坑(用来固定绝缘子)，凹坑的出现，使悬臂梁的根部横截面的尺寸和形状产生突变。从而改变了悬臂梁根部的受力状态。产
14、生了新的应力集中，缩短了受力长度。在这种情况下，当集中了的应力超过材料的许用应力时，使材料产生疲劳，因而弹性变差，接触压力降低，接触电阻增大。在例行试验中，由于温度的变化和升高，加速了材料的疲劳致使接触不良。随着插拔次数的增加，弹性零件的端口形状渐渐变形接触电阻变化越来越大，甚至造成弹性花片张开完全失效。再者，由于点铆定位困难，因而凹坑的位置上下左右偏离不一，点铆用力的大小不同，凹坑的深浅和直径的大小也就不一，这样就更加破坏了根部受力的一致性，更易造成产品接触不良，甚者失效。凸肩式结构和凸缘凸肩式结构利用凸肩固定绝缘子，没有点铆凹坑，就不会出现以上情况。凸缘凸肩式结构和凸肩式结构主要区别在于端
15、口外侧的形状上。即在凸肩式结构的弹性部分的端口外侧增加了一个凸缘就成为凸缘凸肩式结构。凸缘的增加，使原来的面接触变为线接触，在接触压力不变的情况下，相当提高了单位线度上的压力。凸缘的增加，相当增加了一个加强环。使得薄壁扇形外壳的刚性增加，不易变形，受力均匀一致，提高了可靠性。综上所述，凸肩式结构不仅在电压驻波比性能上，还是在机械寿命和可靠性方面均优于点铆式结构。而凸缘凸肩式结构，不仅具有凸肩式结构好的电压驻波比性能，而且在机械寿命和可靠性方面比凸肩式结构有所提高。四、试验实验1：验证凸肩式结构试验按部标SJ500-83的要求，采用凸肩式结构形式，我们设计加工了Q9-J5、Q9-KY5各50只样品，按部颁标准要求抽样进行例行试验。结果所有指标均符合SJ500-83标准要求。其中电压驻波比和机械寿命试验情况
