2 轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)
該型QMA/LRMG-KJ轉(zhuǎn)接器采用50Ω阻抗,一端為標(biāo)準(zhǔn)的QMA-K界面,可與QMA-J同軸連接器互換,可實(shí)現(xiàn)與電纜的快鎖和快速更換,另一端為標(biāo)準(zhǔn)的LRMG-J界面,與LRMG-K同軸連接器互換,可應(yīng)用于集成化模塊。連接器的模塊化,通常要求射頻接觸件具有浮動(dòng)盲插功能。為了保證多通均能達(dá)到各自的電氣界面要求,接觸件一般都設(shè)計(jì)有彈簧結(jié)構(gòu)。常規(guī)彈簧浮動(dòng)結(jié)構(gòu)如圖1所示,連接器的電氣件和安裝結(jié)構(gòu)件是相對(duì)運(yùn)動(dòng)的,僅適合于連接器的軸向拉力小于彈簧彈力的使用環(huán)境。一般當(dāng)連接器接粗長(zhǎng)電纜,且電纜的拉力超過(guò)彈簧的彈力時(shí),將不宜采用。本文在常規(guī)彈簧浮動(dòng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,增加連接器的可伸縮結(jié)構(gòu),既保留了QMA-K端的界面軸向固定性,又滿足了LRMG-J端的彈簧浮動(dòng)性,可在集成化模塊中快速裝夾。
2.1 主要性能指標(biāo)
機(jī)械性能:可伸縮量:2mm;機(jī)械壽命:≥500次。
電氣性能:特性阻抗:50Ω;工作頻段:Ku波段;頻率范圍:0.01GHz~18GHz;VSWR:≤1.4。
2.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)原理設(shè)計(jì)
圖2 轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)
根據(jù)轉(zhuǎn)接器可伸縮性要求,內(nèi)、外導(dǎo)體分別設(shè)計(jì)為分體式,如圖2所示。外導(dǎo)體1與外導(dǎo)體2之間通過(guò)彈性卡圈和彈簧連接,確保轉(zhuǎn)接器的可壓縮性和回彈能力,同時(shí)外導(dǎo)體1設(shè)計(jì)有簧片結(jié)構(gòu),確保轉(zhuǎn)接器外導(dǎo)體的電連續(xù)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(guān)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,不利于連接器的高度集成化。轉(zhuǎn)接器彈簧工作載荷應(yīng)略高于我司LRMG同軸接觸件的插拔力范圍要求和考慮轉(zhuǎn)接器內(nèi)導(dǎo)體之間、外導(dǎo)體之間摩擦力之和。彈簧的結(jié)構(gòu)參數(shù)還需根據(jù)外導(dǎo)體的外形尺寸和安裝尺寸以及可伸縮量來(lái)綜合考評(píng)。彈簧工作載荷可通過(guò)公式(1)[1]計(jì)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(shù);D——彈簧中徑,mm;
外導(dǎo)體1上裝配鎖緊環(huán),轉(zhuǎn)接器通過(guò)鎖緊環(huán)結(jié)構(gòu)安裝于模塊殼體中。轉(zhuǎn)接器與鎖緊環(huán)間隙配合,以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)接器的浮動(dòng)[2]。轉(zhuǎn)接器的LRMG端在對(duì)接過(guò)程中,能夠自動(dòng)調(diào)整至理想的對(duì)中位置,實(shí)現(xiàn)柔性對(duì)接,同時(shí)降低模塊的整體插拔力。
2.2 電設(shè)計(jì)及仿真優(yōu)化
射頻連接器因?yàn)樾枰紤]內(nèi)導(dǎo)體和介質(zhì)體在外導(dǎo)體中的固定性,不可避免需要設(shè)計(jì)定位臺(tái)階,但由此造成了阻抗的不連續(xù)。信號(hào)在射頻連接器中傳輸時(shí),遇到阻抗不匹配的地方會(huì)引起反射,從而使電壓駐波比增大,影響電氣性能。因此需要通過(guò)阻抗計(jì)算,對(duì)阻抗不連續(xù)的地方進(jìn)行阻抗補(bǔ)償,從而滿足阻抗一致性要求[3]。
射頻同軸連接器的特性阻抗是由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的直徑以及絕緣支撐介質(zhì)的介電常數(shù)決定的,之間的關(guān)系式見(jiàn)式(2):
(2)
式中:Z0——特性阻抗,50Ω;εr——相對(duì)介電常數(shù),空氣=1,聚四氟乙烯=2.02;D——外導(dǎo)體內(nèi)徑,mm;d——內(nèi)導(dǎo)體外徑,mm。
根據(jù)式(1),分段設(shè)計(jì)負(fù)載的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。LRMG-J端與標(biāo)準(zhǔn)LRMG-K對(duì)接后,介質(zhì)為空氣,εr為1,內(nèi)導(dǎo)體外徑為0.7mm及外導(dǎo)體內(nèi)徑為1.6mm均為標(biāo)準(zhǔn)值,滿足公式(2)。標(biāo)準(zhǔn)QMA-K端,內(nèi)、外導(dǎo)體之間完全用聚四氟乙烯填充,聚四氟乙烯的相對(duì)介電常數(shù)εr為2.02,內(nèi)導(dǎo)體外徑為1.27mm及外導(dǎo)體內(nèi)徑為4.1mm均為標(biāo)準(zhǔn)值,滿足公式(2)。轉(zhuǎn)接器中間段,只有聚四氟乙烯和空氣兩種介質(zhì),均可通過(guò)公式(2)進(jìn)行內(nèi)、外導(dǎo)體直徑計(jì)算。
由于轉(zhuǎn)接器中存在多個(gè)變徑點(diǎn),并且同時(shí)含有臺(tái)階式變截面和錐形變截面[4],其補(bǔ)充設(shè)計(jì)較為繁瑣,因此可通過(guò)相關(guān)補(bǔ)償理論進(jìn)行估算,然后把初步確定的結(jié)構(gòu)尺寸導(dǎo)入仿真軟件,進(jìn)行模擬計(jì)算,并確定最優(yōu)電結(jié)構(gòu)理論尺寸。通過(guò)把多個(gè)錯(cuò)位補(bǔ)償值設(shè)定為變量,得出仿真結(jié)果如圖3所示:在0.01GHz~20GHz范圍內(nèi),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。
圖3 轉(zhuǎn)接器仿真VSWR曲線
3 調(diào)試與完善
由于該型轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜,零件數(shù)量多,裝配級(jí)數(shù)多,且零件加工尺寸控制點(diǎn)較多,產(chǎn)品裝配后測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果存在一定的差異。仿真結(jié)果并不等同于實(shí)物時(shí)間性能。因此在產(chǎn)品投產(chǎn)前,需要進(jìn)行樣品驗(yàn)證、調(diào)試和完善。
該轉(zhuǎn)接器在樣品驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)現(xiàn)兩個(gè)問(wèn)題點(diǎn):彈簧彈力偏小和VSWR偏大。
轉(zhuǎn)接器樣品與標(biāo)準(zhǔn)LRMG-K對(duì)接互換過(guò)程發(fā)現(xiàn),轉(zhuǎn)接器還未對(duì)接到位,彈簧已經(jīng)發(fā)生壓縮,轉(zhuǎn)接器總長(zhǎng)度有縮短。因此無(wú)法保證轉(zhuǎn)接器在自由伸長(zhǎng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)與LRMG-K接觸件的可靠連接。根據(jù)公式(1),減少?gòu)椈傻挠行?shù)可以提升彈簧的彈力。
通過(guò)樣品測(cè)試發(fā)現(xiàn),VSWR在1.4至1.5之間。經(jīng)分析,轉(zhuǎn)接器內(nèi)、外導(dǎo)體經(jīng)均分體結(jié)構(gòu),外導(dǎo)體1和外導(dǎo)體2(內(nèi)導(dǎo)體1和內(nèi)導(dǎo)體2)通過(guò)開槽簧片結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)彈性互連,而開槽槽寬將影響轉(zhuǎn)接器的特性阻抗,見(jiàn)公式(3)。通過(guò)式(3)可以看出,開槽數(shù)目越多,開槽越寬,對(duì)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?jǐn)?shù);N——開槽數(shù)目;w——插孔接觸件上的槽寬;R——插孔接觸件的外徑。
因此通過(guò)對(duì)彈簧的有效圈數(shù)和對(duì)內(nèi)、外導(dǎo)體的槽寬進(jìn)行優(yōu)化,重新生產(chǎn)樣品進(jìn)行驗(yàn)證。經(jīng)調(diào)試,發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)接器自由伸長(zhǎng)狀態(tài),可順利完成于LRMG-K接觸件的互換,且VSWR≤1.35(0.01GHz~18GHz)。轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)可靠,性能優(yōu)良,能夠滿足使用要求,實(shí)物如圖4所示。
圖4 轉(zhuǎn)接器實(shí)物外觀
4 結(jié)論
本文介紹了一款可伸縮QMA/LRMG-KJ射頻同軸轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)過(guò)程,總結(jié)了調(diào)試過(guò)程中遇到的問(wèn)題,給出了相應(yīng)的理論分析和解決辦法,并完善了轉(zhuǎn)接器的結(jié)構(gòu)。由實(shí)際測(cè)試結(jié)果可以看出,該型同軸轉(zhuǎn)接器能夠滿足使用要求,可應(yīng)用于集成化模塊中。本文為連接器的高度集成化,提供了設(shè)計(jì)思路。
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作者簡(jiǎn)介:劉靈(1986-),男,工程師,從事高低頻混裝連接器及組件產(chǎn)品的研發(fā)工作。
注:本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2020年10月期