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手把手教你同轴连接器优化设计

发布时间:2022-09-15作者来源:金航标浏览:280


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引言

射频同轴连接器是微波领域中重要的射频传输元件,因其频带宽、连接方便可靠、性能优越、成本低廉,在微波通信设备、仪器仪表及武器系统中得到广泛应用。


近几年来随着现代通信技术的飞速发展,整机设备对射频同轴连接器的技术要求越来越高,宽频带、低驻波、小型化、多功能、高可靠、快速连接等等,新的连接器品种应运而生、层出不穷,这也对连接器产品的设计提出了更高的要求。


射频同轴连接器的设计优化包括对连接器多方面功能及价值的分析改进,以达到质优、价廉,并且缩短试制周期。


优化技术适用于射频同轴连接器的结构设计、尺寸精度的确定、性能参数的提升等方面。通过优化,寻求和确定[敏感词]参数,保证连接器使用功能和可靠性要求。


随着微波技术的发展,整机系统要求连接器具有更多的附加功能,如滤波(隔直、防雷等)、整流、衰减等;另一方面整机系统信号频率在不断提高,对信号传输部分的损耗和电压驻波比也有了更高的要求。


因此电性能的提升逐渐成为射频同轴连接器设计优化工作的重点和难点。


随着计算机技术的飞速发展,仿真技术也步入了一个新的时代,原来只有中、小型计算机或专业工作站上才能运行的仿真软件现在也可以在微机上用了,这样就给仿真技术的普及创造了有利条件。


另一方面,仿真软件在不断过发展完善,新的软件层出不穷,Ansoft HFSS和ADS等传统三维电磁仿真软件功能也在不断强化,仿真精度越来越高,优化结果越来越接近实际数值。这些无疑给连接器的仿真和优化设计创造有极为有利的条件。 


时域测量分析是进行微波传输系统缺陷分析的有效方法之一。


通过时域测量,可获得沿传输线的阻抗变化、集中反射点位置、集中反射点的电特性等数据,这对于分析和优化连接器设计是非常有利的。


通过对时域测量数据的分析,找出连接器设计结构当中不匹配点并对其进行逐一调整和优化,以达到提高电性能的目的。


时域测量的定位精度和响应分辨率直接关系到时域分析结果的准确性,而响应分辨率与微波测试设备的频宽、采样速率有直接的关系。


近年来随着行业的发展和西方国家对华禁运政策的调整,越来越多的国[敏感词]频同轴连接器生产厂家具备了频率上限到20GHz甚至高达100GHz的具备时域测试功能的矢量网络分析仪,这也使时域测量分析技术应用于射频同轴连接器的优化设计成为可能。

2
射频同轴连接器的一般设计原则

射频同轴连接器的工作原理比较简单,可以说是一段能够使RF传输系统实现电气连接与分离的同轴传输线。


连接与分离这一机械过程的实现要求连接器具有可靠的连接界面;

连接器的适用性和方便性要求连接界面有多种不同的规格和连接形式;

连接器的通用性和互换性要求连接界面的标准化;

连接与分离的可靠性与稳定性要求连接器界面尺寸及内外导体相对位置的稳定及足够的机械保持力。


这是对连接器界面及结构的基本要求,另一方面连接器需要与同轴电缆、微带等传输线连接,同样也需要考虑连接过渡的匹配性、稳定性和连接的可靠性。


机械连接的稳定性与可靠性是实现射频同轴连接器电气连接可靠性与稳定性的基础,稳定可靠的机械结构加上均匀匹配的阻抗、合理的介质材料,便可得到电气性能优良的射频同轴连接器。


但阻抗的不连续是不可避免的:

界面的机械连接及界面的容差导致连接界面的阻抗不连续;

用于保证机械稳定性的台阶定位结构导致不连续电容的存在;

机械公差及介质电参数的漂移导致特性阻抗的漂移;

连接器与电缆及微带等射频传输线连接部分的适配性及电磁场场形变化也会产生特性阻抗不连续。


只有对这些不连续逐一进行识别和补偿,才能使射频同轴连接器具有更好的电性能指标。关于射频同轴连接器的设计补偿计算很多理论著作及学术论文当中都有更为详尽的阐述,这里就不再赘述了,


但需要说明的是绝大多数的经验公式都是通过对大尺寸同轴传输线的研究得来的,对我们常规的使用频率不是很高的连接器的设计而言其[敏感词]度已足够,而对于小尺寸、高频率、高性能要求的连接器(如毫米波连接器)设计而言,由于尺寸公差、表面粗糙度、金属材料表面电阻率及介质电参数的稳定性等方面的影响变得不可忽略,所以此时的计算结果仅能作为参考。


综上所述,在明确了用户需求及确定了连接界面形式的情况下,连接器的基本设计思想可简单总结为以下三点:


1)       在充分满足客户需求的情况下采用最简洁的设计结构。简单就是可靠,简洁的结构不仅可以有效减少不连续点(段)的存在,提高电性能,而且简洁的结构有更好的机械可靠性。


2)       尽量使每一段的阻抗都与标称特性阻抗相符。保证传输线阻抗的均匀性是减小反射的关键。


3)       对不可避免的不连续逐一进行共面补偿。共面补偿是弱化和消除集中反射(不连续点)的有效方法,其原理是针对不连续点的电特性(容性或感性)在其邻近部位引入一段感性或容性区域,使在不连续点附近一定区域内“平均阻抗”接近标称特性阻抗值,以达到在一定的频段内减小反射的目的。从根本上讲共面补偿就是在失配部位形成一个低通滤波网络,只要通频带足够宽(覆盖连接器要求的频率范围),便可得到理想的补偿。


由LC低通滤波网络原理可知,集中电容或电感值越大,低滤波器的通频带越窄,即在较高的使用频率下想要使共面补偿达到更好的效果,首先是集中电容或电感值要尽量的小,否则在高频段不可能设计出性能优异的射频同轴连接器产品。由此可见共面补偿毕竟是后天性的,在进行射频同轴连接器产品的设计时首先应尽量减少不连续点(段)的存在,并使不可避免的不连续尽量的小。  

3
仿真优化设计技术

利用三维电磁场分析软件建模仿真,对连接器的设计进行优化,可以提高产品设计的一次成功率。


尤其是对性能要求高或有特能要求的连接器产品,通过建模仿真和计算,可以不用生产样品而得到设计将可能达到的性能数据,通过进一步优化使模型达到所要求的性能指标,这时再安排生产出的样品,其性能指标会非常接近或一次达到设计输入的要求,即缩短了设计周期,又节省了研制费用、降低了开发成本,省时省力。


[敏感词]我们用Ansoft HFSS软件对一种7/16型1/4波长宽带防雷连接器进行仿真优化,以此为例介绍一下射频同轴连接器仿真优化设计的一般过程。



 模型的建立




我们要模拟的是一种新型的多功能连接器――1/4波长金属支撑子式的宽带防雷连接器,两端为7/16型阴头。


我们知道1/4波长金属支撑子在同轴传输线中相当于一个带宽很窄的带通滤波器,由于它使同轴线内导体直接良好地接地,因此作为防雷器时具有最小的残余浪涌电压和极强的电流处理能力,在雷电防护领域倍受青睐。


过窄的使用带宽不利于它的推广,考虑目前通信系统工作频率,拟将其使用频带拓展为0.8~2.4GHz。利用切比雪夫多项式对其进行拓频设计,以1.6 GHz为中心频率,并考虑连接器应承受8/20μs 、50KA脉冲电流的冲击,得出如图2的基本结构模型:

微信图片_20220915104132.png

根据预定的外形尺寸,推算出的模型结构在实际设计中较难实现或会造成过高的制造成本,故考虑1/4波长金属支撑部分与连接器主体实现连接的可能结构,对模型结构进行调整

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调整后1/4波长金属支撑部分由原来的阻抗为Z1的均匀传输线变为长度为L1a、阻抗为Z1a和长度为L1b、阻抗为Z1b的两段传输线的组合,这样一来想要确定Z1a、Z1b、L1a和L1b,计算变得相当复杂。


这一工作可以交给ANSOFT HFSS去做。


由于结构的限制,可确定L1a为20mm,Z1a为88Ω,而L1b和Z1b预设为26mm和92Ω。


由于优化前后连接器主体部分径向尺寸变化不会太大,因此将连接器主体部分两端分别加入适当的聚四氟乙烯绝缘支撑。


考虑绝缘支撑的加入对电长度的影响并进行修正,然后根据经验公式对绝缘支撑处的不连续进行逐一补偿计算;因连接器将与50Ω电缆组件相连,故将N型插孔端面做为阻抗变换段的起始面。


完成上述工作后可着手建立ANSOFT HFSS三维仿真模型。

       

微信图片_20220915104141.png


模型建好后进行材质的设定:铜合金镀银的内导体材质可设为copper,绝缘支撑设为Teflon,其它部分本来应设为空气,但为了优化的方便,将其设为真空,这对结果的影响非常小,可以忽略不计。


下一步是端口设置:将两端连接器界面设置成50Ω端口。然后就可以设置求解条件:点频1.6GHz,10次迭代,[敏感词]误差0.01;Fast扫频方式、0.6-2.6GHz,分为50份。[敏感词]就可以开始进行初步求解了。计算后选择显示电压驻波比,则可得到图5a中显示的曲线。


微信图片_20220915104145.png



参数的设置及优化




为了做便于进行优化,要在模型中引入参数。分析上图曲线,和我们所需要的结果比较接近,带宽已经足够,但频带有些上移,中心低点没有完全形成。


虽然0.9-2.6GHz时电压驻波比小于1.2,但中心峰值已接近1.2,有些过高,其主要因素就是Z1a和Z1b段的过渡。


Z1处1/4波长金属支撑已经是较细了,再细会影响到电流处理能力,所以可以调节的只有Z1b和Z2了。


将Z2段内导体外半径设为可变参数SizeR1,范围3.9-4.0,每步0.05mm;将Z1b段外导体内径设为可变参数SizeR2,范围7.8-8.1,每步0.05mm;将Z1b段的长度设为SizeL,范围32-40,每步0.5mm。设置显示参数然后优化,优化后的曲线如下图所示:


微信图片_20220915104148.png



模型的转化




  将优化计算得到的数据用于产品的设计当中,根据生产工艺能力状况对内、外导体进行合理拆分,并考虑1/4波长金属支撑部分接地的可靠性和保留一定的调节量,得到最终设计结果(如图6所示)。

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样品生产后经测试发现实际通频带略有偏移,且带宽不足:

中心频率约为1.55GHz,通频带为0.78-2.36GHz。


通过将D1b尺寸加大0.2mm,并对1/4波长金属支撑接地端螺母进行调整,以改变L1b的长度,使整体性能达到了要求:0.80-2.40GHz电压驻波比小于1.20。驻波测试曲线如图7所示。

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