一種可伸縮QMA/LRMG-KJ射頻同軸轉接器的設計

1 引言

隨著通信技術的迅速發(fā)展，射頻連接器作為微波領域中的重要射頻傳輸元器件，其種類越來越多。尤其是近幾年，電子設備及系統(tǒng)的集成度越來越高，對連接器的小型化、集成化、模塊化、高速化、易維修、快插拔等方向發(fā)展提出了更高的要求。射頻同軸轉接器作為連接不同界面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插座一般都是面板法蘭安裝，不具備集成化的特點。LRMG界面射頻接觸件屬于模塊化非常高的同軸連接器，尤其是在機箱中，有大量的應用，但是通常只接細小柔性電纜，不適用接粗電纜應用場合，且更換不如QMA便捷。為了解決上述問題，本文將兩種界面合二為一，設計了一款可伸縮轉接器。  

圖1 常規(guī)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界面，可與QMA-J同軸連接器互換，可實現(xiàn)與電纜的快鎖和快速更換，另一端為標準的LRMG-J界面，與LRMG-K同軸連接器互換，可應用于集成化模塊。連接器的模塊化，通常要求射頻接觸件具有浮動盲插功能。為了保證多通均能達到各自的電氣界面要求，接觸件一般都設計有彈簧結構。常規(guī)彈簧浮動結構如圖1所示，連接器的電氣件和安裝結構件是相對運動的，僅適合于連接器的軸向拉力小于彈簧彈力的使用環(huán)境。一般當連接器接粗長電纜，且電纜的拉力超過彈簧的彈力時，將不宜采用。本文在常規(guī)彈簧浮動結構的基礎上，增加連接器的可伸縮結構，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；頻率范圍：0.01GHz～18GHz；VSWR：≤1.4。

2.2 機械結構原理設計

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(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。轉接器彈簧工作載荷應略高于我司LRMG同軸接觸件的插拔力范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(shù)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(shù)；D——彈簧中徑，mm；

外導體1上裝配鎖緊環(huán)，轉接器通過鎖緊環(huán)結構安裝于模塊殼體中。轉接器與鎖緊環(huán)間隙配合，以實現(xiàn)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(xiàn)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(yōu)化

射頻連接器因為需要考慮內導體和介質體在外導體中的固定性，不可避免需要設計定位臺階，但由此造成了阻抗的不連續(xù)。信號在射頻連接器中傳輸時，遇到阻抗不匹配的地方會引起反射，從而使電壓駐波比增大，影響電氣性能。因此需要通過阻抗計算，對阻抗不連續(xù)的地方進行阻抗補償，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導體和外導體的直徑以及絕緣支撐介質的介電常數(shù)決定的，之間的關系式見式（2）：

   （2）

式中：Z0——特性阻抗，50Ω；εr——相對介電常數(shù)，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對接后，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(shù)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，只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。

由于轉接器中存在多個變徑點，并且同時含有臺階式變截面和錐形變截面[4]，其補充設計較為繁瑣，因此可通過相關補償理論進行估算，然后把初步確定的結構尺寸導入仿真軟件，進行模擬計算，并確定最優(yōu)電結構理論尺寸。通過把多個錯位補償值設定為變量，得出仿真結果如圖3所示：在0.01GHz～20GHz范圍內，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。

圖3 轉接器仿真VSWR曲線

3 調試與完善

由于該型轉接器結構較為復雜，零件數(shù)量多，裝配級數(shù)多，且零件加工尺寸控制點較多，產品裝配后測試結果與仿真結果存在一定的差異。仿真結果并不等同于實物時間性能。因此在產品投產前，需要進行樣品驗證、調試和完善。

該轉接器在樣品驗證過程中發(fā)現(xiàn)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(fā)現(xiàn)，轉接器還未對接到位，彈簧已經發(fā)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(tài)實現(xiàn)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(shù)可以提升彈簧的彈力。

通過樣品測試發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)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(shù)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(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。

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

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射頻同軸轉接器的設計過程，總結了調試過程中遇到的問題，給出了相應的理論分析和解決辦法，并完善了轉接器的結構。由實際測試結果可以看出，該型同軸轉接器能夠滿足使用要求，可應用于集成化模塊中。本文為連接器的高度集成化，提供了設計思路。

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[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制作[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(fā)工作。

注：本文來源于《電子產品世界》雜志2020年10月期