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技術(shù)應(yīng)用
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手把手教你同軸連接器優(yōu)化設(shè)計(jì)

發(fā)布時(shí)間:2022-09-15作者來(lái)源:金航標(biāo)瀏覽:2429


1
引言

射頻同軸連接器是微波領(lǐng)域中重要的射頻傳輸元件,因其頻帶寬、連接方便可靠、性能優(yōu)越、成本低廉,在微波通信設(shè)備、儀器儀表中得到廣泛應(yīng)用。


近幾年來(lái)隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展,整機(jī)設(shè)備對(duì)射頻同軸連接器的技術(shù)要求越來(lái)越高,寬頻帶、低駐波、小型化、多功能、高可靠、快速連接等等,新的連接器品種應(yīng)運(yùn)而生、層出不窮,這也對(duì)連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。


射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括對(duì)連接器多方面功能及價(jià)值的分析改進(jìn),以達(dá)到質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉,并且縮短試制周期。


優(yōu)化技術(shù)適用于射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸精度的確定、性能參數(shù)的提升等方面。通過(guò)優(yōu)化,尋求和確定最佳參數(shù),保證連接器使用功能和可靠性要求。


隨著微波技術(shù)的發(fā)展,整機(jī)系統(tǒng)要求連接器具有更多的附加功能,如濾波(隔直、防雷等)、整流、衰減等;另一方面整機(jī)系統(tǒng)信號(hào)頻率在不斷提高,對(duì)信號(hào)傳輸部分的損耗和電壓駐波比也有了更高的要求。


因此電性能的提升逐漸成為射頻同軸連接器設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。


隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展,仿真技術(shù)也步入了一個(gè)新的時(shí)代,原來(lái)只有中、小型計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)工作站上才能運(yùn)行的仿真軟件現(xiàn)在也可以在微機(jī)上用了,這樣就給仿真技術(shù)的普及創(chuàng)造了有利條件。


另一方面,仿真軟件在不斷過(guò)發(fā)展完善,新的軟件層出不窮,Ansoft HFSS和ADS等傳統(tǒng)三維電磁仿真軟件功能也在不斷強(qiáng)化,仿真精度越來(lái)越高,優(yōu)化結(jié)果越來(lái)越接近實(shí)際數(shù)值。這些無(wú)疑給連接器的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造有極為有利的條件?!?


時(shí)域測(cè)量分析是進(jìn)行微波傳輸系統(tǒng)缺陷分析的有效方法之一。


通過(guò)時(shí)域測(cè)量,可獲得沿傳輸線的阻抗變化、集中反射點(diǎn)位置、集中反射點(diǎn)的電特性等數(shù)據(jù),這對(duì)于分析和優(yōu)化連接器設(shè)計(jì)是非常有利的。


通過(guò)對(duì)時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù)的分析,找出連接器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中不匹配點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行逐一調(diào)整和優(yōu)化,以達(dá)到提高電性能的目的。


時(shí)域測(cè)量的定位精度和響應(yīng)分辨率直接關(guān)系到時(shí)域分析結(jié)果的準(zhǔn)確性,而響應(yīng)分辨率與微波測(cè)試設(shè)備的頻寬、采樣速率有直接的關(guān)系。


近年來(lái)隨著行業(yè)的發(fā)展和西方國(guó)家對(duì)華禁運(yùn)政策的調(diào)整,越來(lái)越多的國(guó)[敏感詞]頻同軸連接器生產(chǎn)廠家具備了頻率上限到20GHz甚至高達(dá)100GHz的具備時(shí)域測(cè)試功能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀,這也使時(shí)域測(cè)量分析技術(shù)應(yīng)用于射頻同軸連接器的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。

2
射頻同軸連接器的一般設(shè)計(jì)原則

射頻同軸連接器的工作原理比較簡(jiǎn)單,可以說(shuō)是一段能夠使RF傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連接與分離的同軸傳輸線。


連接與分離這一機(jī)械過(guò)程的實(shí)現(xiàn)要求連接器具有可靠的連接界面;

連接器的適用性和方便性要求連接界面有多種不同的規(guī)格和連接形式;

連接器的通用性和互換性要求連接界面的標(biāo)準(zhǔn)化;

連接與分離的可靠性與穩(wěn)定性要求連接器界面尺寸及內(nèi)外導(dǎo)體相對(duì)位置的穩(wěn)定及足夠的機(jī)械保持力。


這是對(duì)連接器界面及結(jié)構(gòu)的基本要求,另一方面連接器需要與同軸電纜、微帶等傳輸線連接,同樣也需要考慮連接過(guò)渡的匹配性、穩(wěn)定性和連接的可靠性。


機(jī)械連接的穩(wěn)定性與可靠性是實(shí)現(xiàn)射頻同軸連接器電氣連接可靠性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ),穩(wěn)定可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)加上均勻匹配的阻抗、合理的介質(zhì)材料,便可得到電氣性能優(yōu)良的射頻同軸連接器。


但阻抗的不連續(xù)是不可避免的:

界面的機(jī)械連接及界面的容差導(dǎo)致連接界面的阻抗不連續(xù);

用于保證機(jī)械穩(wěn)定性的臺(tái)階定位結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不連續(xù)電容的存在;

機(jī)械公差及介質(zhì)電參數(shù)的漂移導(dǎo)致特性阻抗的漂移;

連接器與電纜及微帶等射頻傳輸線連接部分的適配性及電磁場(chǎng)場(chǎng)形變化也會(huì)產(chǎn)生特性阻抗不連續(xù)。


只有對(duì)這些不連續(xù)逐一進(jìn)行識(shí)別和補(bǔ)償,才能使射頻同軸連接器具有更好的電性能指標(biāo)。關(guān)于射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)補(bǔ)償計(jì)算很多理論著作及學(xué)術(shù)論文當(dāng)中都有更為詳盡的闡述,這里就不再贅述了,


但需要說(shuō)明的是絕大多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式都是通過(guò)對(duì)大尺寸同軸傳輸線的研究得來(lái)的,對(duì)我們常規(guī)的使用頻率不是很高的連接器的設(shè)計(jì)而言其[敏感詞]度已足夠,而對(duì)于小尺寸、高頻率、高性能要求的連接器(如毫米波連接器)設(shè)計(jì)而言,由于尺寸公差、表面粗糙度、金屬材料表面電阻率及介質(zhì)電參數(shù)的穩(wěn)定性等方面的影響變得不可忽略,所以此時(shí)的計(jì)算結(jié)果僅能作為參考。


綜上所述,在明確了用戶(hù)需求及確定了連接界面形式的情況下,連接器的基本設(shè)計(jì)思想可簡(jiǎn)單總結(jié)為以下三點(diǎn):


1)       在充分滿(mǎn)足客戶(hù)需求的情況下采用最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單就是可靠,簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)不僅可以有效減少不連續(xù)點(diǎn)(段)的存在,提高電性能,而且簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)有更好的機(jī)械可靠性。


2)       盡量使每一段的阻抗都與標(biāo)稱(chēng)特性阻抗相符。保證傳輸線阻抗的均勻性是減小反射的關(guān)鍵。


3)       對(duì)不可避免的不連續(xù)逐一進(jìn)行共面補(bǔ)償。共面補(bǔ)償是弱化和消除集中反射(不連續(xù)點(diǎn))的有效方法,其原理是針對(duì)不連續(xù)點(diǎn)的電特性(容性或感性)在其鄰近部位引入一段感性或容性區(qū)域,使在不連續(xù)點(diǎn)附近一定區(qū)域內(nèi)“平均阻抗”接近標(biāo)稱(chēng)特性阻抗值,以達(dá)到在一定的頻段內(nèi)減小反射的目的。從根本上講共面補(bǔ)償就是在失配部位形成一個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò),只要通頻帶足夠?qū)挘ǜ采w連接器要求的頻率范圍),便可得到理想的補(bǔ)償。


由LC低通濾波網(wǎng)絡(luò)原理可知,集中電容或電感值越大,低濾波器的通頻帶越窄,即在較高的使用頻率下想要使共面補(bǔ)償達(dá)到更好的效果,首先是集中電容或電感值要盡量的小,否則在高頻段不可能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的射頻同軸連接器產(chǎn)品。由此可見(jiàn)共面補(bǔ)償畢竟是后天性的,在進(jìn)行射頻同軸連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)盡量減少不連續(xù)點(diǎn)(段)的存在,并使不可避免的不連續(xù)盡量的小?! ?

3
仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

利用三維電磁場(chǎng)分析軟件建模仿真,對(duì)連接器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化,可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率。


尤其是對(duì)性能要求高或有特能要求的連接器產(chǎn)品,通過(guò)建模仿真和計(jì)算,可以不用生產(chǎn)樣品而得到設(shè)計(jì)將可能達(dá)到的性能數(shù)據(jù),通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化使模型達(dá)到所要求的性能指標(biāo),這時(shí)再安排生產(chǎn)出的樣品,其性能指標(biāo)會(huì)非常接近或一次達(dá)到設(shè)計(jì)輸入的要求,即縮短了設(shè)計(jì)周期,又節(jié)省了研制費(fèi)用、降低了開(kāi)發(fā)成本,省時(shí)省力。


[敏感詞]我們用Ansoft HFSS軟件對(duì)一種7/16型1/4波長(zhǎng)寬帶防雷連接器進(jìn)行仿真優(yōu)化,以此為例介紹一下射頻同軸連接器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。



 模型的建立




我們要模擬的是一種新型的多功能連接器――1/4波長(zhǎng)金屬支撐子式的寬帶防雷連接器,兩端為7/16型陰頭。


我們知道1/4波長(zhǎng)金屬支撐子在同軸傳輸線中相當(dāng)于一個(gè)帶寬很窄的帶通濾波器,由于它使同軸線內(nèi)導(dǎo)體直接良好地接地,因此作為防雷器時(shí)具有最小的殘余浪涌電壓和極強(qiáng)的電流處理能力,在雷電防護(hù)領(lǐng)域倍受青睞。


過(guò)窄的使用帶寬不利于它的推廣,考慮目前通信系統(tǒng)工作頻率,擬將其使用頻帶拓展為0.8~2.4GHz。利用切比雪夫多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行拓頻設(shè)計(jì),以1.6 GHz為中心頻率,并考慮連接器應(yīng)承受8/20μs 、50KA脈沖電流的沖擊,得出如圖2的基本結(jié)構(gòu)模型:

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根據(jù)預(yù)定的外形尺寸,推算出的模型結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中較難實(shí)現(xiàn)或會(huì)造成過(guò)高的制造成本,故考慮1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分與連接器主體實(shí)現(xiàn)連接的可能結(jié)構(gòu),對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整

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調(diào)整后1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分由原來(lái)的阻抗為Z1的均勻傳輸線變?yōu)殚L(zhǎng)度為L(zhǎng)1a、阻抗為Z1a和長(zhǎng)度為L(zhǎng)1b、阻抗為Z1b的兩段傳輸線的組合,這樣一來(lái)想要確定Z1a、Z1b、L1a和L1b,計(jì)算變得相當(dāng)復(fù)雜。


這一工作可以交給ANSOFT HFSS去做。


由于結(jié)構(gòu)的限制,可確定L1a為20mm,Z1a為88Ω,而L1b和Z1b預(yù)設(shè)為26mm和92Ω。


由于優(yōu)化前后連接器主體部分徑向尺寸變化不會(huì)太大,因此將連接器主體部分兩端分別加入適當(dāng)?shù)木鬯姆蚁┙^緣支撐。


考慮絕緣支撐的加入對(duì)電長(zhǎng)度的影響并進(jìn)行修正,然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)絕緣支撐處的不連續(xù)進(jìn)行逐一補(bǔ)償計(jì)算;因連接器將與50Ω電纜組件相連,故將N型插孔端面做為阻抗變換段的起始面。


完成上述工作后可著手建立ANSOFT HFSS三維仿真模型。

       

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模型建好后進(jìn)行材質(zhì)的設(shè)定:銅合金鍍銀的內(nèi)導(dǎo)體材質(zhì)可設(shè)為copper,絕緣支撐設(shè)為T(mén)eflon,其它部分本來(lái)應(yīng)設(shè)為空氣,但為了優(yōu)化的方便,將其設(shè)為真空,這對(duì)結(jié)果的影響非常小,可以忽略不計(jì)。


下一步是端口設(shè)置:將兩端連接器界面設(shè)置成50Ω端口。然后就可以設(shè)置求解條件:點(diǎn)頻1.6GHz,10次迭代,最大誤差0.01;Fast掃頻方式、0.6-2.6GHz,分為50份。[敏感詞]就可以開(kāi)始進(jìn)行初步求解了。計(jì)算后選擇顯示電壓駐波比,則可得到圖5a中顯示的曲線。


微信圖片_20220915104145.png



參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化




為了做便于進(jìn)行優(yōu)化,要在模型中引入?yún)?shù)。分析上圖曲線,和我們所需要的結(jié)果比較接近,帶寬已經(jīng)足夠,但頻帶有些上移,中心低點(diǎn)沒(méi)有完全形成。


雖然0.9-2.6GHz時(shí)電壓駐波比小于1.2,但中心峰值已接近1.2,有些過(guò)高,其主要因素就是Z1a和Z1b段的過(guò)渡。


Z1處1/4波長(zhǎng)金屬支撐已經(jīng)是較細(xì)了,再細(xì)會(huì)影響到電流處理能力,所以可以調(diào)節(jié)的只有Z1b和Z2了。


將Z2段內(nèi)導(dǎo)體外半徑設(shè)為可變參數(shù)SizeR1,范圍3.9-4.0,每步0.05mm;將Z1b段外導(dǎo)體內(nèi)徑設(shè)為可變參數(shù)SizeR2,范圍7.8-8.1,每步0.05mm;將Z1b段的長(zhǎng)度設(shè)為SizeL,范圍32-40,每步0.5mm。設(shè)置顯示參數(shù)然后優(yōu)化,優(yōu)化后的曲線如下圖所示:


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模型的轉(zhuǎn)化




  將優(yōu)化計(jì)算得到的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中,根據(jù)生產(chǎn)工藝能力狀況對(duì)內(nèi)、外導(dǎo)體進(jìn)行合理拆分,并考慮1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分接地的可靠性和保留一定的調(diào)節(jié)量,得到最終設(shè)計(jì)結(jié)果(如圖6所示)。

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樣品生產(chǎn)后經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)際通頻帶略有偏移,且?guī)挷蛔悖?

中心頻率約為1.55GHz,通頻帶為0.78-2.36GHz。


通過(guò)將D1b尺寸加大0.2mm,并對(duì)1/4波長(zhǎng)金屬支撐接地端螺母進(jìn)行調(diào)整,以改變L1b的長(zhǎng)度,使整體性能達(dá)到了要求:0.80-2.40GHz電壓駐波比小于1.20。駐波測(cè)試曲線如圖7所示。

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