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解析可伸縮QMA/LRMG-KJ射頻同軸轉接器的設計

發布時間：2020-10-20 來源：電子產品世界責任編輯：lina

【導讀】隨(sui)著(zhe)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)的(de)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)，射(she)頻(pin)連(lian)接(jie)器(qi)作(zuo)為(wei)微(wei)波(bo)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)重(zhong)要(yao)射(she)頻(pin)傳(chuan)輸(shu)元(yuan)器(qi)件(jian)，其(qi)種(zhong)類(lei)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)。尤(you)其(qi)是(shi)近(jin)幾(ji)年(nian)，電(dian)子(zi)設(she)備(bei)及(ji)係(xi)統(tong)的(de)集(ji)成(cheng)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，對(dui)連(lian)接(jie)器(qi)的(de)小(xiao)型(xing)化(hua)、集成化、模塊化、高速化、易維修、快插拔等方向發展提出了更高的要求。射頻同軸轉接器作為連接不同界麵射頻連接器的中間器件應需而生。

1 引言

隨(sui)著(zhe)通(tong)信(xin)技(ji)術(shu)的(de)迅(xun)速(su)發(fa)展(zhan)，射(she)頻(pin)連(lian)接(jie)器(qi)作(zuo)為(wei)微(wei)波(bo)領(ling)域(yu)中(zhong)的(de)重(zhong)要(yao)射(she)頻(pin)傳(chuan)輸(shu)元(yuan)器(qi)件(jian)，其(qi)種(zhong)類(lei)越(yue)來(lai)越(yue)多(duo)。尤(you)其(qi)是(shi)近(jin)幾(ji)年(nian)，電(dian)子(zi)設(she)備(bei)及(ji)係(xi)統(tong)的(de)集(ji)成(cheng)度(du)越(yue)來(lai)越(yue)高(gao)，對(dui)連(lian)接(jie)器(qi)的(de)小(xiao)型(xing)化(hua)、集成化、模塊化、高速化、易維修、快插拔等方向發展提出了更高的要求。射頻同軸轉接器作為連接不同界麵射頻連接器的中間器件應需而生。

QMA連接器具有快鎖的結構特點，安裝需要的操作空間小，且兼容了SMA連接器的良好電氣性能，但是QMA-K插座一般都是麵板法蘭安裝，不具備集成化的特點。LRMG界(jie)麵(mian)射(she)頻(pin)接(jie)觸(chu)件(jian)屬(shu)於(yu)模(mo)塊(kuai)化(hua)非(fei)常(chang)高(gao)的(de)同(tong)軸(zhou)連(lian)接(jie)器(qi)，尤(you)其(qi)是(shi)在(zai)機(ji)箱(xiang)中(zhong)，有(you)大(da)量(liang)的(de)應(ying)用(yong)，但(dan)是(shi)通(tong)常(chang)隻(zhi)接(jie)細(xi)小(xiao)柔(rou)性(xing)電(dian)纜(lan)，不(bu)適(shi)用(yong)接(jie)粗(cu)電(dian)纜(lan)應(ying)用(yong)場(chang)合(he)，且(qie)更(geng)換(huan)不(bu)如(ru)QMA便捷。為了解決上述問題，本文將兩種界麵合二為一，設計了一款可伸縮轉接器。

解析可伸縮QMA/LRMG-KJ射頻同軸轉接器的設計

圖1 常規彈簧浮動設計結構

2 轉接器的設計

該型QMA/LRMG-KJ轉接器采用50Ω阻抗，一端為標準的QMA-K界麵，可與QMA-J同軸連接器互換，可實現與電纜的快鎖和快速更換，另一端為標準的LRMG-J界麵，與LRMG-Ktongzhoulianjieqihuhuan，keyingyongyujichenghuamokuai。lianjieqidemokuaihua，tongchangyaoqiushepinjiechujianjuyoufudongmangchagongneng。weilebaozhengduotongjunnengdadaogezidedianqijiemianyaoqiu，jiechujianyibandoushejiyoudanhuangjiegou。changguidanhuangfudongjiegourutu1suoshi，lianjieqidedianqijianheanzhuangjiegoujianshixiangduiyundongde，jinshiheyulianjieqidezhouxianglalixiaoyudanhuangdanlideshiyonghuanjing。yibandanglianjieqijiecuchangdianlan，qiedianlandelalichaoguodanhuangdedanlishi，jiangbuyicaiyong。benwenzaichangguidanhuangfudongjiegoudejichushang，zengjialianjieqidekeshensuojiegou，jibaoliuleQMA-K端的界麵軸向固定性，又滿足了LRMG-J端的彈簧浮動性，可在集成化模塊中快速裝夾。

2.1 主要性能指標

機械性能：可伸縮量：2mm；機械壽命：≥500次。

電氣性能：特性阻抗：50Ω；工作頻段：Ku波段；頻率範圍：0.01GHz～18GHz；VSWR：≤1.4。

2.2 機械結構原理設計

解析可伸縮QMA/LRMG-KJ射頻同軸轉接器的設計

圖2 轉接器設計結構

根據轉接器可伸縮性要求，內、外導體分別設計為分體式，如圖2所示。外導體1與外導體2之間通過彈性卡圈和彈簧連接，確保轉接器的可壓縮性和回彈能力，同時外導體1設計有簧片結構，確保轉接器外導體的電連續性。LRMG射頻接觸件是一種推入式連接器，壓縮彈簧的工作載荷選取至關重要：太小，連接器接觸件不可靠，太大，直接提升了連接器的插拔力，不利於連接器的高度集成化。轉接器彈簧工作載荷應略高於我司LRMG同軸接觸件的插拔力範圍要求和考慮轉接器內導體之間、外導體之間摩擦力之和。彈簧的結構參數還需根據外導體的外形尺寸和安裝尺寸以及可伸縮量來綜合考評。彈簧工作載荷可通過公式（1）[1]計算。

（1）

式中：Fn——彈簧的彈力，N；fn——變形量，mm；G——材料切變模量，N/mm2；d——彈簧線徑，mm；n——彈簧有效圈數；D——彈簧中徑，mm；

外導體1上裝配鎖緊環，轉接器通過鎖緊環結構安裝於模塊殼體中。轉接器與鎖緊環間隙配合，以實現轉接器的浮動[2]。轉接器的LRMG端在對接過程中，能夠自動調整至理想的對中位置，實現柔性對接，同時降低模塊的整體插拔力。

2.2 電設計及仿真優化

射(she)頻(pin)連(lian)接(jie)器(qi)因(yin)為(wei)需(xu)要(yao)考(kao)慮(lv)內(nei)導(dao)體(ti)和(he)介(jie)質(zhi)體(ti)在(zai)外(wai)導(dao)體(ti)中(zhong)的(de)固(gu)定(ding)性(xing)，不(bu)可(ke)避(bi)免(mian)需(xu)要(yao)設(she)計(ji)定(ding)位(wei)台(tai)階(jie)，但(dan)由(you)此(ci)造(zao)成(cheng)了(le)阻(zu)抗(kang)的(de)不(bu)連(lian)續(xu)。信(xin)號(hao)在(zai)射(she)頻(pin)連(lian)接(jie)器(qi)中(zhong)傳(chuan)輸(shu)時(shi)，遇(yu)到(dao)阻(zu)抗(kang)不(bu)匹(pi)配(pei)的(de)地(di)方(fang)會(hui)引(yin)起(qi)反(fan)射(she)，從(cong)而(er)使(shi)電(dian)壓(ya)駐(zhu)波(bo)比(bi)增(zeng)大(da)，影(ying)響(xiang)電(dian)氣(qi)性(xing)能(neng)。因(yin)此(ci)需(xu)要(yao)通(tong)過(guo)阻(zu)抗(kang)計(ji)算(suan)，對(dui)阻(zu)抗(kang)不(bu)連(lian)續(xu)的(de)地(di)方(fang)進(jin)行(xing)阻(zu)抗(kang)補(bu)償(chang)，從(cong)而(er)滿(man)足(zu)阻(zu)抗(kang)一(yi)致(zhi)性(xing)要(yao)求(qiu)[3]。

射頻同軸連接器的特性阻抗是由內導體和外導體的直徑以及絕緣支撐介質的介電常數決定的，之間的關係式見式（2）：

（2）

式中：Z0——特性阻抗，50Ω；εr——相對介電常數，空氣=1，聚四氟乙烯=2.02；D——外導體內徑，mm；d——內導體外徑，mm。

根據式（1），分段設計負載的內部結構。LRMG-J端與標準LRMG-K對接後，介質為空氣，εr為1，內導體外徑為0.7mm及外導體內徑為1.6mm均為標準值，滿足公式（2）。標準QMA-K端，內、外導體之間完全用聚四氟乙烯填充，聚四氟乙烯的相對介電常數εr為2.02，內導體外徑為1.27mm及外導體內徑為4.1mm均為標準值，滿足公式（2）。轉接器中間段，隻有聚四氟乙烯和空氣兩種介質，均可通過公式（2）進行內、外導體直徑計算。

由於轉接器中存在多個變徑點，並且同時含有台階式變截麵和錐形變截麵[4]，其(qi)補(bu)充(chong)設(she)計(ji)較(jiao)為(wei)繁(fan)瑣(suo)，因(yin)此(ci)可(ke)通(tong)過(guo)相(xiang)關(guan)補(bu)償(chang)理(li)論(lun)進(jin)行(xing)估(gu)算(suan)，然(ran)後(hou)把(ba)初(chu)步(bu)確(que)定(ding)的(de)結(jie)構(gou)尺(chi)寸(cun)導(dao)入(ru)仿(fang)真(zhen)軟(ruan)件(jian)，進(jin)行(xing)模(mo)擬(ni)計(ji)算(suan)，並(bing)確(que)定(ding)最(zui)優(you)電(dian)結(jie)構(gou)理(li)論(lun)尺(chi)寸(cun)。通(tong)過(guo)把(ba)多(duo)個(ge)錯(cuo)位(wei)補(bu)償(chang)值(zhi)設(she)定(ding)為(wei)變(bian)量(liang)，得(de)出(chu)仿(fang)真(zhen)結(jie)果(guo)如(ru)圖(tu)3所示：在0.01GHz～20GHz範圍內，VSWR最大值為1.05，理論上能夠滿足0.01GHz～18GHz，VSWR≤1.4的使用要求。

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圖3 轉接器仿真VSWR曲線

3 調試與完善

由you於yu該gai型xing轉zhuan接jie器qi結jie構gou較jiao為wei複fu雜za，零ling件jian數shu量liang多duo，裝zhuang配pei級ji數shu多duo，且qie零ling件jian加jia工gong尺chi寸cun控kong製zhi點dian較jiao多duo，產chan品pin裝zhuang配pei後hou測ce試shi結jie果guo與yu仿fang真zhen結jie果guo存cun在zai一yi定ding的de差cha異yi。仿fang真zhen結jie果guo並bing不bu等deng同tong於yu實shi物wu時shi間jian性xing能neng。因yin此ci在zai產chan品pin投tou產chan前qian，需xu要yao進jin行xing樣yang品pin驗yan證zheng、調試和完善。

該轉接器在樣品驗證過程中發現兩個問題點：彈簧彈力偏小和VSWR偏大。

轉接器樣品與標準LRMG-K對接互換過程發現，轉接器還未對接到位，彈簧已經發生壓縮，轉接器總長度有縮短。因此無法保證轉接器在自由伸長狀態實現與LRMG-K接觸件的可靠連接。根據公式（1），減少彈簧的有效圈數可以提升彈簧的彈力。

通過樣品測試發現，VSWR在1.4至1.5之間。經分析，轉接器內、外導體經均分體結構，外導體1和外導體2（內導體1和內導體2）通過開槽簧片結構實現彈性互連，而開槽槽寬將影響轉接器的特性阻抗，見公式（3）。通過式（3）可以看出，開槽數目越多，開槽越寬，對連接器的特性阻抗影響越大[5]。

（3）

其中：△Z ——特性阻抗變化的百分數；N——開槽數目；w——插孔接觸件上的槽寬；R——插孔接觸件的外徑。

因此通過對彈簧的有效圈數和對內、外導體的槽寬進行優化，重新生產樣品進行驗證。經調試，發現轉接器自由伸長狀態，可順利完成於LRMG-K接觸件的互換，且VSWR≤1.35（0.01GHz～18GHz）。轉接器結構可靠，性能優良，能夠滿足使用要求，實物如圖4所示。

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圖4 轉接器實物外觀

4 結論

本文介紹了一款可伸縮QMA/LRMG-KJ射she頻pin同tong軸zhou轉zhuan接jie器qi的de設she計ji過guo程cheng，總zong結jie了le調tiao試shi過guo程cheng中zhong遇yu到dao的de問wen題ti，給gei出chu了le相xiang應ying的de理li論lun分fen析xi和he解jie決jue辦ban法fa，並bing完wan善shan了le轉zhuan接jie器qi的de結jie構gou。由you實shi際ji測ce試shi結jie果guo可ke以yi看kan出chu，該gai型xing同tong軸zhou轉zhuan接jie器qi能neng夠gou滿man足zu使shi用yong要yao求qiu，可ke應ying用yong於yu集ji成cheng化hua模mo塊kuai中zhong。本ben文wen為wei連lian接jie器qi的de高gao度du集ji成cheng化hua，提ti供gong了le設she計ji思si路lu。

參考文獻（References）：

[1]李留安,於少軍. 多路射頻連接器的結構設計[J].電子產品世界,2011 (6)：54-57.

[2]劉靈. 高低頻混裝連接器的結構與力學性能研究[J].航天製作技術,2020 (2)：65-67.

[3]馮良平,徐嵐. 射頻同軸連接器設計要點[J].國外電子測量技術,2005(11)：39～44.

[4]李明德. 降低射頻同軸連接器電壓駐波比的方法探討[J].機電元件,2011(3)：33～42.

[5]喬長海,李留安. 射頻連接器用開槽插孔的可靠性設計與製作[J].電子產品世界,2011 (3)：52～56.

作者簡介：劉靈（1986-），男，工程師，從事高低頻混裝連接器及組件產品的研發工作。

注：本文來源於《電子產品世界》雜誌2020年10月期

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