高性能TNCJ型射頻同軸終端負(fù)載的設(shè)計(jì)

1、高性能TNC/J型射頻同軸終端負(fù)載的設(shè)計(jì)中國電子科技集團(tuán)公司第四十研究所 喬長海 李傳龍摘要：基于同軸傳輸線的基本理論，對使用頻率達(dá)18GHz的高性能TNC/J型射頻同軸終端負(fù)載進(jìn)行了設(shè)計(jì)。簡述了該產(chǎn)品主要結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法，提出了一些設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意解決的問題，進(jìn)行了產(chǎn)品性能測試。關(guān)鍵詞：高性能 射頻同軸 終端負(fù)載 設(shè)計(jì)1、引言 射頻同軸終端負(fù)載在無線電設(shè)備、電子儀器以及各種微波裝備中得到了廣泛的應(yīng)用，在系統(tǒng)中，對空置的備用信道和測試端口進(jìn)行阻抗匹配，既保證了信號的阻抗匹配，又大大減少了空置端口信號泄漏、系統(tǒng)間的相互干擾，是射頻傳輸系統(tǒng)的重要組成部分之一，其性能的好環(huán)，將直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的綜合性能

2、。隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，裝備、儀器等系統(tǒng)技術(shù)水平的提高，射頻同軸終端負(fù)載在各類軍、民用裝備中的應(yīng)用也越來越廣泛，同時(shí)裝備對射頻同軸終端負(fù)載的電性能要求、環(huán)境適應(yīng)性等方面的要求也越來越高（比如：在盡可能寬的頻帶內(nèi)，具有最佳的電氣性能；在嚴(yán)酷的環(huán)境中可靠工作等），這為射頻同軸終端負(fù)載向高性能、高可靠方向的快速發(fā)展提供了需求條件。TNC系列射頻同軸終端負(fù)載是一種特性阻抗為50、螺紋連接（7/16-28UNEF）、外導(dǎo)體內(nèi)徑為6.5mm的射頻同軸元件。其優(yōu)點(diǎn)是螺紋連接能實(shí)現(xiàn)牢固、可靠的連接與配合，在沖擊、振動等惡劣條件下，具有優(yōu)良的性能穩(wěn)定性。近年來，隨著系統(tǒng)性能擴(kuò)展的要求，TNC系列射頻同軸連接器的技

3、術(shù)水平獲得了很大的突破，使用頻率已經(jīng)拓展到18GHz，電性能及耐環(huán)境適應(yīng)性能也得到較大改善。同樣也對TNC型接口的射頻同軸終端負(fù)載提出了高性能要求。本文介紹的高性能TNC/J型射頻同軸終端負(fù)載，就是為滿足某些設(shè)備的需求而進(jìn)行研制生產(chǎn)的。2、該產(chǎn)品的主要性能指標(biāo)1) 工作頻率范圍：DC18GHz；2) 特性阻抗： 50； 3) 溫度范圍： -65165；4) 電壓駐波比： 1.20；5) 功 率： 1W ；6) 連接機(jī)構(gòu)耐力矩：1.69N·m，min；7) 非磁性材料的導(dǎo)磁率：2.0；8) 中心接觸件固定性：軸向力26.7N；9) 耐鹽霧：48h；10) 連接器耐久性：500次。3、設(shè)

4、計(jì)原理由于高性能TNC/J型射頻同軸終端負(fù)載是一種特殊的射頻同軸連接器，因此其主要的設(shè)計(jì)依據(jù)仍然采用同軸傳輸線的基本理論：················ （1）其中：ZO-同軸傳輸線的特性阻抗（）D-外導(dǎo)體內(nèi)徑（mm）d-內(nèi)導(dǎo)體外徑（mm）r-介質(zhì)相對介電常數(shù)同時(shí)，在設(shè)計(jì)過程中還要遵循以下三條原則：（1）在同軸線內(nèi)部保持一致的特性阻抗。通常同軸傳輸系統(tǒng)是一個(gè)阻抗連續(xù)分布并保持不變的系統(tǒng)，如果阻抗發(fā)生變化，則會影響系統(tǒng)的性能。因此為了獲

5、得最佳的寬帶性能，在同軸線的每一個(gè)橫截面上，都必須盡可能地使特性阻抗等于標(biāo)稱值（本產(chǎn)品為50）。（2）對于每一處不可避免的阻抗不連續(xù)，應(yīng)采取補(bǔ)償。在實(shí)際工程應(yīng)用中，理想均勻的同軸傳輸線是不存在的，由于結(jié)構(gòu)或其它原因，總是要變化同軸線的截面尺寸，因此在同軸傳輸線內(nèi)，阻抗的不連續(xù)性總是不可避免的。所以在設(shè)計(jì)同軸連接器時(shí)，首先應(yīng)將未補(bǔ)償時(shí)的不連續(xù)性控制在最小，其次對這些不連續(xù)應(yīng)采取適當(dāng)?shù)拇胧?，進(jìn)行處理，以獲得高性能的產(chǎn)品。（3）盡量減小機(jī)械公差對電性能的影響。在同軸器件的制造過程中，導(dǎo)體、介質(zhì)的尺寸公差（包括軸向公差、徑向公差、形位公差及表面質(zhì)量等）總是存在的。在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將可能影響電性能的尺寸公差數(shù)

6、減小到最少，且尺寸公差應(yīng)控制的合理的范圍內(nèi)（統(tǒng)籌考慮產(chǎn)品性能、加工工藝性、生產(chǎn)成本等因素）。在制造過程中應(yīng)保證設(shè)計(jì)要求的精度等級，并盡量保證零件尺寸的一致性，以利于得到高性能、高可靠的產(chǎn)品。4、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與相關(guān)計(jì)算4.1 界面結(jié)構(gòu)TNC系列射頻同軸連接器的界面結(jié)構(gòu)已經(jīng)比較成熟，在IEC60169系列標(biāo)準(zhǔn)和MIL-C-39012系列標(biāo)準(zhǔn)中做出了詳細(xì)規(guī)定：有插針接觸件連接器界面、插孔接觸件連接器界面；有0級、2級連接器界面；有使用頻率為11GHz連接器界面、使用頻率為18GHz連接器界面。本產(chǎn)品采用GJB5246-2004射頻連接器界面中的TNCA系列插針接觸件連接器界面，其中外接觸件采取不開槽結(jié)構(gòu)

7、，以利于保證其主要性能指標(biāo)-寬帶條件下的電壓駐波比性能，界面結(jié)構(gòu)見圖1。圖1 界面尺寸4.2 擴(kuò)頻設(shè)計(jì)對于任何一種射頻同軸連接器來說，最關(guān)鍵的尺寸為外導(dǎo)體的內(nèi)徑尺寸，該尺寸與內(nèi)導(dǎo)體的外徑尺寸、介質(zhì)尺寸一起決定了該連接器的特性阻抗和截止頻率。也就是說，射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)形式?jīng)Q定了其截止頻率，并可通過以下公式進(jìn)行計(jì)算：············· （2）其中：fc連接器的截止頻率（GHz） C0電磁波在真空中的傳播速度（3×108m/s） D 連接器外導(dǎo)體內(nèi)徑

8、（mm） d 連接器內(nèi)導(dǎo)體外徑（mm）r絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)由公式（2）可以看出：要想提高射頻同軸連接器的上限截止頻率fc，可以通過縮小D和d（但應(yīng)保證D/d不變，即保證特性阻抗不變）和減小r來實(shí)現(xiàn)。該產(chǎn)品內(nèi)、外導(dǎo)體及支撐介質(zhì)的結(jié)構(gòu)形式見圖2，相關(guān)尺寸、特性阻抗及上限計(jì)算結(jié)果見表1。圖2 內(nèi)、外導(dǎo)體及支撐介質(zhì)的結(jié)構(gòu)表1外導(dǎo)體內(nèi)徑D（mm）內(nèi)導(dǎo)體外徑d（mm）介質(zhì)的相對介電常數(shù)r特性阻抗ZO（）上限截止頻率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 寬帶低電壓駐波比設(shè)計(jì)電壓

9、駐波比是射頻連接器性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)，為了保證連接器獲得較低的電壓駐波比，應(yīng)重點(diǎn)解決好連接器阻抗的匹配與連續(xù)。因此在設(shè)計(jì)連接器時(shí)，應(yīng)盡量使內(nèi)、外導(dǎo)體的結(jié)構(gòu)簡單、盡量減少阻抗不連續(xù)點(diǎn)，這樣對連接器阻抗的均勻性比較有利。但是，往往由于結(jié)構(gòu)上的需要，內(nèi)導(dǎo)體等零件上必須有臺階過渡，以便各個(gè)零件間的安裝與定位，這樣就形成了阻抗不連續(xù)點(diǎn)，在這些點(diǎn)上必然會引起反射，直接影響連接器的電壓駐波比性能，對于這些結(jié)構(gòu)上不可避免的阻抗不連續(xù)點(diǎn)，應(yīng)采用合理的方法進(jìn)行改善。高性能TNC/J型射頻同軸終端負(fù)載的內(nèi)、外導(dǎo)體直徑的變化在連接器界面配合段、內(nèi)導(dǎo)體的固定段（聚四氟介質(zhì)支撐）、內(nèi)導(dǎo)體與電阻連接過渡段，見圖3。界面配合

10、段的設(shè)計(jì)按照GJB5246-2004，過渡段的方式全部采用直角過渡方式（見圖中、處），其優(yōu)點(diǎn)是加工、測量方便，尺寸精度容易控制與實(shí)現(xiàn)。采用錯(cuò)位補(bǔ)償方式進(jìn)行補(bǔ)償，錯(cuò)位間隙在0.51.0mm之間。圖34.4 電阻段結(jié)構(gòu)的處理該產(chǎn)品采用的電阻功率為1W，阻值為50，外形尺寸較小，僅為1×3。由于電阻的阻值與電阻長度為線性關(guān)系（假設(shè)電阻各段均勻），隨著長度的增加，阻值逐漸增大，直至50，也就是說，阻值不是恒定值，而是一個(gè)變化值，這與設(shè)計(jì)原則1是不符的。因此在電阻段應(yīng)采取合理的方式進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚挥钟捎陔娮璞旧砗芏?，又必須有必要的固定段和錯(cuò)位補(bǔ)償段，所以可采取措施的空間很?。ㄒ妶D4），更增加了

11、處理的難度。經(jīng)過多次試制、測試摸底，采用斜面過渡方式（見圖4），值在30°40°之間，并受斜面長度尺寸精度的影響較大。因此，此段的尺寸精度的控制非常關(guān)鍵，對整個(gè)產(chǎn)品的電氣性能影響比較大。圖4為了提高電阻段外導(dǎo)體與前段外導(dǎo)體之間的接觸的可靠性以及盡量減小材料體電阻的影響，外導(dǎo)體2口部采取彈性結(jié)構(gòu)（圖5）。經(jīng)過生產(chǎn)與誓言驗(yàn)證，這種結(jié)構(gòu)提高了與外導(dǎo)體1的接觸可靠性，改善了產(chǎn)品的性能。在外導(dǎo)體2開槽時(shí)應(yīng)控制開槽的寬度（最好不要超過0.2mm）否則將對產(chǎn)品的電壓駐波比性能產(chǎn)生不利的影響。圖54.5 插針接觸件的固定插針接觸件的固定性是影響該負(fù)載電氣性能的關(guān)鍵因素之一，固定性差（尤其是

12、軸向），在使用時(shí)將影響產(chǎn)品界面的穩(wěn)定性，直接導(dǎo)致關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)的降低。本產(chǎn)品的使用頻率較高，如果全部采用臺階或倒刺等方式進(jìn)行定位，對產(chǎn)品的電壓駐波比性能將有一定的影響。根據(jù)該產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及使用時(shí)內(nèi)導(dǎo)體的受力情況，內(nèi)導(dǎo)體徑向定位采用過盈配合方式（絕緣支撐與內(nèi)、外導(dǎo)體分別過盈配合）；采用一個(gè)絕緣支撐和電阻配合實(shí)現(xiàn)對插針接觸件的軸向固定。為此，我們專門對所采用的電阻的相關(guān)性能進(jìn)行了摸底試驗(yàn)。本產(chǎn)品的接觸件固定性要求的軸向力應(yīng)不小于26.7N。主要考慮電阻能否直接承受這么大的壓力；在承受壓力過程中和受壓力后的主要電參數(shù)阻值的變化量?？紤]到安全系數(shù)，在對電阻進(jìn)行測試時(shí)采用了40N（約為最小規(guī)定值的1.5

13、倍）的壓力。電阻在承受40N的壓力過程中阻值最大變化量為0.22；在500次壓力作用后，阻值最大變化量為0.13?？梢姡撾娮璧淖柚翟谑芰^程中、受力后的變化都很小，基本不會影響到該產(chǎn)品的電氣性能，因此決定利用電阻受力對插針接觸件實(shí)現(xiàn)軸向固定（具體結(jié)構(gòu)見圖6）。圖6 插針接觸件的固定5、測試結(jié)果經(jīng)過以上結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，我們進(jìn)行了產(chǎn)品的試制、裝配，并按有關(guān)要求對產(chǎn)品進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，測試結(jié)果全部達(dá)到了預(yù)期的目標(biāo)，滿足了使用要求，其中電壓駐波比性能的測試結(jié)果見表2（4只測試樣品），1#樣品的測試曲線見圖7。表2 電壓駐波比測試結(jié)果頻率點(diǎn)樣品 (GHz)46810121416181#1.031.061.05

14、1.051.081.041.081.182#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圖7 1#樣品的電壓駐波比測試曲線6、結(jié)論分析基于射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)理論對高性能TNC/J型射頻終端負(fù)載進(jìn)行了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過試制、試驗(yàn)證明：設(shè)計(jì)思路正確、結(jié)構(gòu)合理，性能指標(biāo)達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。高性能TNC/J型射頻同軸終端負(fù)載，體積小、重量輕，頻帶寬、性能優(yōu)，互換性好。在該產(chǎn)品的制作過程中，尺寸精度的控制，尤其是電阻段小型零件的尺寸精度、位置精度非常重要，對產(chǎn)品的電壓駐波比性能影響很大，應(yīng)更