射频同轴连接器设计和计算.docx
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射频同轴连接器设计和计算
毫米波同轴连接器的结构与特性
刘洪扬
【摘要】随着毫米波技术的发展与应用，电子设备不断向小型化发展，迫切需要研制毫米波同轴连接器已势在必行。
本文对国外自70年代中期发展的3.5mm连接器直到90年代初发展到1.0mm连接器的产品结构、设计要点和产品性能作了比较详细的论述，并指出了在我国发展毫米波同轴连接器今后研究工作的重点。
【关键词】毫米波连接器结构性能
一、前言
同轴线和同轴连接器是应用较早的一种元件。
早期认为它的应用范围适合分米直到10厘米波段（即300MHz～3GHz），当波长再短时会出现传输功率容量小，衰减大，制造困难等一系列的缺点。
因此，早期在厘米波段中同轴线几乎完全被波导所代替。
由于技术上的困难，同轴系统被认为是不能应用到毫米波系统上。
这主要还是同轴电缆插入损耗大，当工作频率升高以后有高次杂模出现，使其无法传播电磁信号。
另一方面在一对同轴连接器接头处也会产生较强的电磁波辐射，会造成很大的电磁干扰。
正因为这些原因，就使得同轴线及其连接器无法广泛应用到毫米波频段。
很长一个时期内毫米波主要靠波导来传输。
但是波导频带较窄，甚至在某些情况下，在所给定的频带内，在其边缘还会出现重叠的现象。
由于同轴系统能够传输从直流到超高频频谱的电磁波信号，并且同轴器件具有体积小、重量轻、使用同轴器件组装的系统具有不受物理位置限制等一系列优点，因此又一直吸引着各国的同轴器件专家们去克服同轴系统存在的这些固有的困难。
】
自第二次世界大战结束到90年代初，同轴连接器的性能没有重要的改进。
SMA是当时使用频率最高的一种小型同轴连接器，工作频率到22GHz、60～70年代重点是发展精密同轴连接器，如14、7、（mm）精密连接器。
精密同轴连接器的研制成功是同轴连接器技术发展史上的一项重大成就。
它使同轴线电压驻波比的测量精度由百分之几提高到千分之几。
这对毫米波连接器技术的发展起了很大的影响。
随着各种新型微波器件的出现，很多电子系统的传输功率不再像电子管时代那样高，再加上精密测量技术的发展和精密机械加工技术的进步，近十几年来，毫米波同轴连接器技术有了突飞猛进的发展。
毫米波连接器通常是指工作频率在30GHz以上（波长10mm以下）的同轴连接器。
在70年代中期由美国Hewlett-Packard公司和Amphenol公司推出的3.5mm同轴连接器是最早的一种毫米波同轴连接器，它的工作频率达33GHz。
以后很多公司都又相继开发出很多新型毫米波同轴连接器，详见表1。
进入90年代，Hewlett-Packard公司宣布他们研制成1.0mm同轴连接器，最高工作频率达110GHz。
它是当前毫米波连接器中最小的一种，内导体直径大致为0.43mm（50Ω时），要保证较高的尺寸精度，这么小的尺寸在机械加工中已有很大的困难。
表1典型的毫米波同轴连接器
产品代号
使用频率
（GHz）
形式
~
配对
最初研制单位
（计量级）
K
（计量级）
.
V
33
33
40
40
50
！
50
65
65
110
有极性
有极性
有极性
有极性
）
有极性
有极性
有极性
有极性
有极性
K,SMA
K,SMA
K,SMA
/
K,SMA
,V
,V
,V
,V
Hewleel-Packard
Hewlett-Packardco.
|
MauryMicrowave
WiltronCo
Hewlett-Packard,.AmPhenolOmniSpectra
Hewlett-Packardco.
Hewlett-Packardco.
WiltronCo
Hewlett-Parckardco.
这些新开发的毫米波同轴连接器有几个明显的特点。
首先是连接器的工作频率尽量接近相同规格空气同轴线的截止频率。
1989年10月颁布的IEEE287修正草案中规定的各种传输线的频率范围如表2所示。
这就决定了连接器内部尽量采用空气同轴式结构，对不可避免的介质支撑（绝缘子）和内导体结构带来的影响要设法降低。
其次是内导体几乎都采用针孔式（有极性）结构，这是因为在小尺寸的情况下采用平面接点（无极性）会造成很多困难，因此，IEEE287新标准草案中规定允许使用有极性的内、外导体结构，但必须要保证连接的性能与连接器配对连接无关，发展的事实证明，这一要求是能够实现的。
再其次就是新发展的产品都保持了和以前相关产品有良好的兼容性，像K型能保持与，SMA的配对，V型能保持与，的配对。
|
表250Ω空气线尺寸和频率范围
外导体内径D（mm）
使用频率上限（GHz）
理论截止频率（GHz）
】
%
$
应用场合不同对毫米波同轴连接器的要求也不相同，例如：
仪表上使用的连接器在装成大系统以前，反复连接的次数很少，可重复性和坚固性就考虑很少，重点考虑的是成本和体积大小；在系统和仪器中使用的连接器，要求多次插拔，因此可重复性和坚固性就成了头等重要的事情，其次才考虑成本；作为校准标准的场合需要有较高的测量精度，对使用的连接器要求有更高水平的坚固性、可重复性和尺寸精度。
根据这些使用场合的不同，毫米波同轴连接器通常被分成三个等级，即生产级、仪器级和计量级。
不同等级产品的主性能和关键零件的公差是不相同的，但保持产品的精密性、坚固性和耐久性是三个等级都需要的。
2.4mm连接器是第一个实现三个等级齐备的连接器，不同的性能要求如表3所示。
表32.4mm连接器配对时的反射损耗值和重复性
项目
生产级
仪器级
计量级
*
反射损耗（dB）
频率在18GHz
50GHz
＞26
＞24
＞18
!
＞36
＞32
＞26
＞42
＞36
＞32
（
重复性（dB）
＞40
＞44
＞50
二、毫米波同轴连接器的基本结构
毫米波同轴连接器的结构虽然有各式各样，但是它们的基本作用有两个，即联接和转换。
联接同轴线用的连接器在配对以后应当成为坚固无反射互联。
转接器是作为一个接口，用于连接器与微波电路之间的转换。
这些转换通常是方式变换，如：
同轴线——微带，同轴线——波导等，不过有的转换还是相当复杂的，尤其是在很高的频率下方式变换也不是一件容易的事。
图1和图2是毫米波同轴连接器的典型结构图。
图1是联接同轴线用的连接器，它由插头和插座两部分组成。
图2是一个转换插座，图的左面是转换面，通过其它附件实现与微波电路的连接；图的右面是配合面，它是一个标准的接口能与相应的连接器配接。
|
^
图1毫米波同轴连接器
@
图2毫米波同轴转换插座
^
毫米波同轴连接器在内外导体之间除两个绝缘支撑子（绝缘子）以外全部由空气介质填充。
这就避免了用固体介质填充时所带来的问题，例如：
空气隙的长度难以得到控制，并且还会随温度而变化；传输线阻抗不稳定，因它取决于固体介质的电常数和尺寸。
另外采用空气介质对用户也有利，因为连接器的特性阻抗能够通过内、外导体尺寸（d、D）两个简单物理量的测量就能判定。
由空气介质填充的连接器性能比较稳定，在任意配对的情况下其性能都非常相近，获得了较高的重复性能。
毫米波同轴连接器的基准面选在阴阳外导体的结合处，结构上要保证在这个地方能形成紧密的接触，无缝隙存在。
中心导体的连接是由阴接触件（插孔）夹持住阳接触件（插针）而形成。
其中插孔是关键，它直接影响到连接器的精度、可重复性、耐久性以及高频性能。
多少年来，人们都在研究与探索能有一个比较理想的插孔结构。
在实践中认识到一个好的插孔应当具有与插针的接触面积大、接触压力小、插拔力低以及弹性爪要有足够的弹性，并且在安装上要确保与插针的同轴性。
在毫米波同轴连接器中一般都采用四槽式插孔，但是计量级连接器对性能稳定性、可重复性和阻抗精度要求都特别高，常常采用无槽式插孔。
插针插孔的接触状态对连接器的性能有很大的影响，要使一对连接器配对后能达到最佳的匹配状态，阴、阳中心导体应当完全接触在一起，使他们之间没有间隙存在即G=0，因为任何间隙都将引起一个串联电感而出现不匹配。
由于这个理由，一个理想连接器的中心接触件的接触端面到基准面的公差应当是±0，即g=0。
事实上，理想状态是不可能的，但是中心导体的接触间隙又是有害的，所以要求连接器中心导体到基准面的公差（g）应当为零或者是一个允许的很小的负数。
在毫米波同轴连接器中为了固定内、外导体，常常使用介质绝缘子来作支撑。
在均匀同轴线中引进了绝缘子对同轴线的传输特性将发生很大的影响、由于内、外导体直径的变化以及介电常数的不同，将直接影响到特性阻抗的变化，设计不当将会产生严重的反射。
另一方面，在均匀同轴线中有限长绝缘子会引起振荡激励作用，使得同轴传输线的截止频率受到约束而下降，并且还会使高频电场传输不稳定。
研究表明，采用挖空绝缘子的方法能有效地降低绝缘子的介电常数，从而达到可以增加绝缘子宽度（B）的目的；两个绝缘子之间的距离A还必须达到相当大的值，约为A=2D时，两者的相互影响才能到最小，当距离增大到A=3D以上时，相互影响就可以忽略了。
对于单个同轴连接器来说，绝缘子必须离开基准面大约要有1～倍D的距离（=A/2）。
连接器的接口不但影响到产品间的互换，而且还影响到产品性能。
连接器的坚固性和抗滥用能力主要取决于其接口结构。
目前IEEE287新标准仍在制定中，这里先把一些公司生产的针孔式毫米波连接器接口尺寸列于图3和表4供参考。
不同资料中的数据略有出入，本文略加统一与圆整。
三、典型毫米波连接器的特性
1、SMA连接器
*
SMA连接器的工作频率到22GHz，它不是一个毫米波连接器，但是它对毫米波连接器的发展有很大的影响，因此很有必要先对它作个介绍。
SMA是由Bendix公司在50年代末期为半硬同轴电缆而设计的。
它的配合空间用聚四氟乙烯介质填充，结构比较简单。
这种连接器当初并没有打算长久使用，更没有作为一个精密连接器来考虑，因此它只是一个普通系统用的连接器。
在当时情况下，由于它的体积小，能在较高频率下工作，很快得到了普及，甚至到后来发展出更新一代毫米波同轴连接器时不得不考虑与他的兼容。
可是由于它先天性不足，也为后来发展小型同轴连接器带来了一些限制。
SMA存在的主要问题是精度不高，不适合测试设备的需要；其次是外导体的壁比较薄，内导体插孔又是两槽结构，在使用中非常容易被磨损和发生损坏故障；再其次是使用频率不高，不能适应工作频率带达40GHz以上系统的需求。
{
图3毫米波同轴连接器接口
表4毫米波同轴连接器接口尺寸（mm）
-
代号
a
Φ～
—
Φ～
b
Φ～
Φ
c
〃—36
~
M7×-6g
M4×
d
Φ
±
Φ
±
Φ
^
±
Φ
±
Φ
D
Φ
±
Φ
。
±
Φ
±
Φ
±
Φ
e
Φ～
>
Φ±
f
±
g
0～
】
0～
0～
0～
s
8
8
8
，
8
6
由于SMA存在这些缺陷，一些制造商就开发了一批能与SMA兼容的连接器，主要型号有3.5mm，WSMA以及后来发展的2.92mm，MPC3，KMC和WMP4等。
这些连接器克服了SMA的局限性，在结构上与SMA也不相同，就外导体的接触面积讲，新开发的连接器都大大加强（见表5），提高了连接器的坚固性。
表5几种连接器外导体的接触面积比较
SMA
3.5mm
—
2.92mm
外直径（吋）
内直径D（吋）
壁厚（吋）
接触面积（吋2）
!
（
2、3.5mm连接器
在60年代中期，美国商业部为了小型精密同轴连接器的标准化成立了一个联合工业研究会（JIRC），经过努力于1972年提出一个民用产品标准，空气传输线的尺寸缩小到3.5mm，无模工作状态下的频率扩展到36GHz。
随后推出一种与它相匹配的3.5mm鸳鸯连接器（头座相同）。
但由于它的精密度高，价格昂贵，阻碍了把它作为一个通用连接器而广泛使用。
由于形势的需要，Hewlett-Packard等公司研制出一种高精度，价格比较便宜的3.5mm连接器，配合空间由空气介质填充，内导体插孔采用无槽结构，实际上是在有槽插孔外面加上一个无槽的保护套。
额定工作频率达33GHz。
它在两个绝缘子之间选择了足够大的距离为时（12.27mm），为D的倍。
3.5mm连接器能与SMA兼容，能进行无损地对接。
在SMA工作频段范围内，3.5mm连接器的电压驻波比特性与SMA相近。
3.5mm连接器最初设计是作为一种低成本，企图能代替SMA，但是它未能及时形成批量以达到提前降低成本的目的，结果使得3.5mm连接器的价格偏高，这就是3.5mm连接器未能代替SMA的原因。
3.5mm连接器由于它的精密性和良好的耐磨性，特别适用于测试设备上。
3、2.92mm连接器
2.92mm连接器在结构上3.5mm与连接器相似，只不过是更小一些，允许工作频率到46GHz其内导体尺寸与SMA相同为英寸（1.27mm）。
2.92mm连接器最早是MauryMicrowave公司研制出来的（MPC-3型）。
由其他公司研制的这类连接器还有K型、KMC型、WMP4型等。
K型连接器是在1983年由Wiltron公司研制出来的，它能与SMA、3.5mm、WSMA连接器兼容。
K型连接器的心脏是它的过渡器，它用一个玻璃绝缘子实现同轴连接器到微带电路的刚性过渡，这就保证在更换连接器或维修时不会损伤电路。
毫米波同轴连接器的可靠性受到插拔力、外导体强度、配接时的应力消除情况及配接时同心度的影响。
K型连接在这些方面都具有良好的性能。
在正常情况下，K型连接器的插拔力为0.5磅而SMA是它的三倍。
K型外导体的壁厚是SMA的四倍（见表5），其可靠性相当于SMA的30倍，这一点已被试验所证实。
试验表明，K型连接器经一万次插拔后，其电气性能几乎没有什么变化。
它特别适合于系统和测试仪器上使用。
…
4、2.4mm连接器
2.4mm同轴连接器的研制成功标志着毫米波连接器发展走上一个新的台阶。
在它前面发展的一系列小型同轴连接器在结构上作了不少改进，但是在连接器的坚固性和可重复性方面仍然改进得不够。
这就使得仪器和校准标准方面出现一连串的问题，因为这些地方需要有更高的对准性、坚固性和可重复性。
在以前开发的小型连接器由于受到要与SMA兼容的限制而影响了连接器的性能，例如，当与SMA配合时，由于SMA尺寸公差范围非常之大，能偶然发生阴中心导体（插孔）外径增大的故障，并且高频覆盖能力较小，中心接触体也很脆弱（易断）。
这就迫切需要研制一种新型同轴连接器，要求无模工作到50GHz，坚固性和可重复性高并具有抗偶然故障的能力。
在这样一个新的要求下，Hewlett-Packard，OmniSpectra、Amphenal等公司相继开发出一代新型小型2.4mm连接器。
2.4mm连接器配合空间使用空气介质填充，达到低损耗。
中心导体支撑采用高性能绝缘子，其上面的补偿孔是不通孔，能防止污物进入连接器的内部。
两个绝缘子之间有足够大的距离，使互相影响减至最小。
中心导体插孔采用四槽结构（用于生产级和仪器级）和无槽结构（用于计量级）。
它的外形很像SMA，，为了不致于发生与这些连接器发生偶然配合，所以连接器的连接螺纹采用公制M7×。
为了保护插孔不被损坏，在插针接触插孔前外导体已配合到50%以上。
2.4mm连接器在DC～50GHz整个范围内都具有良好的性能，反射损耗都小于SMA、、K型连接器，结构具有很高的可重复性。
2.4mm连接器能适用于很宽的领域，是第一个具备有生产级、仪器级和计量级三个等级的产品。
5、和1.0mm连接器
美国Hewlett-Packard公司是一个从事电子设备和元件的制造公司，它在毫米波连接器研制中一直处于领先地位。
在1986年欧洲微波会议上他们又首次推出1.85mm的连接器，使工作频率扩展到65GHz。
后来Wittron公司经过改进，并于1989年1月宣称在360型网络分析仪中使用了1.85mm（V型）连接器，并能同2.4mm连接器兼容。
V型连接器的结构形式与K型相同，只不过尺寸更小一些。
它与微波电路的连接也是用一个过渡器——玻璃绝缘子，其中心导体的直径只有9密耳（0.23mm）。
进入90年代，Hewlett-Packard公司宣布他们又研制成功1.0mm连接器，这是目前世界上最小的毫米波连接器，内导体直径约为0.43mm（50Ω），最高工作频率达110GHz。
—
四、结束语
毫米波同轴连接器发展的时间虽然不长，但是发展速度相当快，目前已基本形成系列。
这主要是由于它的频带宽、尺寸小、重量轻、耐用性和可重复性好、成本低以及能与较低频率的连接器兼容等一系列的优点，使其应用领域越来越广泛。
甚至目前国际上已出现用同轴系统去代替毫米波波导系统的新趋势。
2.4mm连接器是一个划时代的连接器，它摆脱了SMA的束缚，结构更加合理，电性能和机械性能都优于前者，而且价格也较低廉，据称它将最终取代现已广泛使用的SMA连接器。
毫米波连接器用于使用频率很高，结构尺寸太小，给电气、机械方面带来了一系列的新问题，我们需要对它的设计理论、测试方法、细微精密加工技术、标准化及应用领域等方面作深入的研究，以利推动我国毫米波连接器的大发展。
参考文献
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ALOOKtothePastandFulure,1990
[2]KandVCinnectors,Wiltron1989
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毫米波同轴连接器理论计算
（
刘洪扬
【摘要】毫米波同轴连接器的结构在理论上把它看成为由介质填充和空气填充相结合而成的一段同轴传输线。
在理想化假设后，运用同轴传输理论对毫米波连接器的特性阻抗、尺寸及公差、绝缘子厚度及介电常数的计算作了详细论述。
并对，，，，1.0mm连接器的主要参数进行了计算。
【关键词】毫米波连接器设计理论
一、前言
毫米波同轴连接器通常是指工作波长在10mm以下的连接器，是一种超小型微波同轴连接器。
它的特点是工作频率高、结构尺寸小、精度要求高。
由于连接器的结构尺寸与工作波长相接近，任何微小的变化都会给连接器的电气性能带来严重的影响，这就给连接器结构尺寸带来了高精度的要求。
尺寸小，精度高又给制造技术提出了更高的要求。
毫米波同轴连接器从广义上讲，它是一段同轴线，因此同轴线传输的基本理论在这里也是适用的。
但是它必竞又不像同轴线那样简单，由于结构上的需要，引进了绝缘子，内外导体直径出现了台阶。
它不可能是一个均匀的同轴线，使电场传输特性发生了改变，另外由于制造上的原因，存在不可避免的误差，使连接器的精度受到影响。
这一系列的问题就是连接器理论设计需要解决的内容。
有些可以通过理论分析与计算求得比较合理的设计参数，但是有些问题因素十分复杂，难以进行理论计算，就是计算也不一定准确，只有通过对典型结构的实验，找出它们的规律性，用以指导连接器的理论设计。
，
二、连接器接口模型
毫米波同轴连接器的插头和插座相连接的接口设计是连接器的关键，它不仅影响到产品的互换性，而且直接影响到连接器的电气性能。
连接器的外导体在接口处必须保证紧密接触，而阴阳内导体在接口处就可能出现间隙。
毫米波同轴连接器内外导体之间除很薄的支撑绝缘子外，全部由空气介质填充，因此，连接器的接口可把它看成为一段带绝缘支撑的空气同轴线，其接口模型如图1所示。
D是外导体的内径，d是内导体的外径，dg是内导体插针直径，A是两个绝缘支撑子（简称绝缘子）之间的距离，B是绝缘子的厚度，G是阴阳内导体接触端面可能出现的间隙。
连接器接口实质上是由介质填充和空气填充相结合而成的一段同轴线。
由于结构支撑的需要，内、外导体在绝缘子厚度范围内常挖有不同深度的槽；又由于制造和安装误差的存在，内、外导体直径在长度方向会出现不均匀，在径向存在一定的偏心度以及内导体接触处不可避免地会出现一定的间隙。
这样一来这段同轴线就变得相当复杂，难以进行理论计算。
为了分析方便起见，我们先对连接器接口模型作理想化假设，进行分析计算，然后再逐一分析这些不同情况的影响，设法避免或降低这些因素对连接器的影响。
>
图1毫米波同轴连接器接口模型
假设绝缘子厚度B为有限，两绝缘子之间的距离A足够大，在内、外导体上的挖槽深度和间隙G都比较小，因此毫米波同轴连接器接口模型图1在理论上把它近似地看成为一段均匀的同轴线，即认为在整个范围内，内、外导体的直径没有变化，全部为空气介质填充。
（
1、D与d的计算
理想同轴线的特性阻抗公式为：
Z0=
（1）
式中：
真空导磁率μ0=4π×10-7享/米
光速C0=299,792,458±1.2米/秒
空气相对介电常数εr=在23℃,50%温度和大气压力时的计算值。
代入有关参数后得：
Z0=
（2）
由此求得50Ω空气同轴线外、内直径比值为：
&
D/d=（3）
根据IEEE287修正案规定的尺寸D计算出50Ω毫米波同轴连接器内导体尺寸d列于表1。
表150Ω毫米波同轴连接器主要参数
规格
|
D（mm）
d（mm）
"
（±%）
LPC
]
GPC
[
最高工作频率（GHz）
!
理论截止频率（GHz）
注：
LPC=实验室精度连接器
、
GPC=普通精度连接器
连接器内、外导体直径的偏差会引起一个阻抗误差△Z，使得同轴线失配而产生反射。
在均匀同轴线中电压驻波比的公式为
VSWR=
TL=
式中ZL和TL分别为负载阻抗和负载反射系数。
若ZL=Z0+△Z，由阻抗误差所引起的电压驻波比可表示为：
VSWR=1+
（4）
式中△Z/Z0称做为阻抗精度，它是根据不同使用场合的要求确定的。
IEEE287修正案中规定了实验室精度连接器（LPC）和普通精度连接器（GPC）的阻抗精度值列于表1中。
在实际连接器中，D，d不可能保持不变，由于固定绝缘子或连接电路转换的需要，使连
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