关键词：毫米波 转接器
A millimeter wave coaxial adapter for testing
Huang Sen Feng Yongfang
（Suzhou Huazhan Space Appliance CO.,LTD. ，Suzhou 215004，China）
Abstract：This paper introduces a millimeter wave coaxial of SMP type with 2.92 turns,From the whole process of material selection ,structure design and performance simulation,the product design is described.
Keywords：Millimeter wave Adapter
1引言
最近几年，随着市场的牵引，SMP系列产品逐渐成为主流射频产品，越来越广泛的应用在系统间的射频信号的传输。因SMP系列要求高，因此产品测试也逐步成为目前面临的一个重要问题。而解决测试用转接器的性能问题成为测试问题的关键。
2产品介绍
SMP系列连接器是按照GJB5021研制生产的小型毫米波连接器,使用频率可达到40GHz。连接器测试时，，需要使用转接器将连接器与网络分析仪连接。为了测试出合格的数据，测试用转接器必须要优于连接器指标。
3产品设计
3.1 接口的确定
网络分析仪测试接口一般是2.92mm型，为了保证转接器测试时与设备匹配，因此转接器一端采用2.92-J系列接口，另一端采用SMP-J系列接口。
3.2 主要指标的确定
为了保证测试转接器优于产品的指标，依据GJB5021《高可靠射频同轴连接器通用规范》及其详细规范，初步确定产品主要指标为：DC～40 GHz，电压驻波比：≤ 1.15 （10 MHz～18 GHz）和≤ 1.3 （18 GHz～40 GHz）。
3.3结构设计
转接器的设计牵涉到界面设计、材料、特性阻抗、支撑介质的设计和固定、结构补偿等方面，产品最终形成图1所示结构。
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图1.产品结构示意图
3.3.1转接器界面设计
连接器界面按照GJB5246规定的2.92系列和SMP系列结构和尺寸要求进行设计，保证能够与同类产品互换。
3.3.2转接器材料
连接器各部分零件所用材料均可沿用2.92系列和SMP系列所用材料
3.3.3特性阻抗
转接器阻抗为50Ω，为了保证整个产品的阻抗一致性，可根据公式（1）首先确定内外导体之间的各个区域的尺寸关系D和d，以确定连接器的电气传输结构。
其中：Z0---产品特性阻抗，欧姆；.png)
---介质的相对介电常数（空气1.0，聚四氟乙烯2.02）；
D---同轴传输线的外导体内径，毫米；
d---同轴传输线的内导体外径，毫米。
3.3.4支撑介质的设计和固定
介质体是毫米波同轴连接器必不可少的一部分，除了作为绝缘支撑以外，还要保证内外导体具有良好的同轴度和固定性。介质体的设计是整个转接器最重要的一环，尤其是当频率不断提高的时候，介质体的结构对电压驻波比有非常大的影响。因此，介质体的结构为转接器设计的重点。
（一）介质体材料的选择：
毫米波连接器常用绝缘材料有PTFE,MPPO,PEEK等材料。绝缘材料的选择应考虑到机械强度、使用温度、加工性能、介电常数等。毫米波产品内部介质主要以空气段为主，因此对机械强度有更高的要求，且转接器长度越长，要求机械固定性要越好。从机械强度来看，不能采用硬度较低的PTFE。
绝缘材料应能满足既可以机械加工，又可以进行模具加工，既可以降低成本，又可以满足较高的零件精度。从加工角度来讲，PEEK可以满足。PEEK材料在高温条件下（165℃）使用，仍然可以保持稳定的机械固定性以及稳定的介电常数。 综上所述，可以选择PEEK作为转接器的支撑材料。
（二）介质体结构的设计：
常用的介质体支撑形式有三种，见图2。由于介质体支撑的出现，介电常数会发生变化，必然要出现台阶，进而引入了不连续电容。
（1）内导体有台阶，见图2（a），当频率升高时，传输线不连续电容没有补偿，不稳定性增强，在毫米波波段，信号不稳定；
（2）内外导体有台阶，见图2（b），当频率升高时，传输线不连续电容得到补偿，可以保证在毫米波使用时，信号连续稳定；
（3）外导体有台阶，见图2（c），当频率升高时，传输线不连续电容没有补偿，不稳定性增强，在毫米波波段，信号不稳定；
因此当使用频率在毫米波波段时，选用内外导体都有台阶的结构可以满足。
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（a）内导体有台阶 (b)内外导体有台阶 (c) 外导体有台阶
图2.常用的介质体支撑形式
3.3.5结构补偿
当转接器传输线上出现两处台阶变化，为了使毫米波信号顺利传输，需要进行结构补偿，结构补偿分为共面补偿和错位补偿。当内外导体经过介质变化后，内外导体又恢复到原来状态，采用共面补偿。当内外导体发生尺寸变化，采用错位补偿。因此，补偿区1采用共面补偿，补偿区2采用错位补偿。
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图3.结构补偿
补偿区1进行共面补偿:a尺寸补偿是通过在介质体上挖槽来实现，挖槽的深浅主要根据介质支撑和外导体配合程度，挤压量多少来进行计算，一般在设计中，通过仿真可以快速确定最佳值。根据仿真结果，确定a=0.2mm为最优。同时根据补偿原则，尺寸b/d=0.25时，补偿效果最好，因此公式（1）可以计算出，内导体外径为1.27mm时，d=1.02mm,可计算出b=0.255mm。
补偿区2进行错位补偿：当内导体外径从1.27mm变为0.8mm时，出现了台阶，需要进行错位补偿。错位补偿的原则是当外导体内径由2.92mm变化为1.84mm时，因2.92/1.84＜3,可确定c=2.92/8=0.365mm,但因为毫米波产品对错位补偿要求较高，因此需要确定0.365mm尺寸的精度，通过仿真可以找出合理的控制范围。
3.3.4结构仿真
对产品的毫米波传输结构建立3D仿真模型，对一些未确定的结构进行参数化设置，如：错位补偿尺寸，在0.365mm的基础上，设置一个仿真区间，确定尺寸精度。通过仿真可以看出，产品在毫米波频段可以满足要求，且通过参数化仿真，找出最优的错位补偿尺寸及公差，通过仿真结果可以确定错位补偿c尺寸在0.32mm～0.38mm尺寸最优。
3.3.5结构确定
为了保证产品传输结构的稳定，产品的机械固定性和可靠性很重要。有些产品理论结构很好，但往往对实现过程有很高的要求，因此良好的机械结构是保证产品传输指标实现的重要保证
内导体的设计：内导体与介质体的配合方式有过盈，间隙，夹持等结构。因介质体为薄片式结构，内导体采用夹持结构，夹持结构分为两体，通过一端内导体的间隙，可以保证介质体被牢固的固定在内导体中间。也可以保证内导体和介质体之间有良好的同轴度。
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图4.内导体结构
外导体的设计：外导体通过合理的拆分可以使介质体有效的固定在外导体内，并且可以提高每一段补偿位置的精度，如图5。
（1）外导体可分为外导体1、外导体2和外导体3三部分，外导体1作为产品的2.92主体部分，用来容纳外导体2和外导体3。
（2）外导体2作为固定介质体的零件部分，装配后与介质体端面齐平，且可以有效保证错位补偿c尺寸，使加工精度和工艺过程更容易实现。
（3）外导体3作为SMP主体部分，用来固定外导体2。
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图5.产品外导体的构成
4 结论
测试用毫米波同轴转接器从理论计算，模拟仿真，合理的机械结构运用，使产品理论可靠性高，实际加工容易实现。
参考文献
［1］射频连接器界面尺寸 吴正平 张景源 2001 标准化技术委员会
［2］射频同轴转接器的设计 吴秉钧 韩梅英 2005 射频连接器设计及论文汇编
［3］电磁场与电磁波 焦其祥 2004 科学出版社
［4］机械制造工艺学 陆念力 2008 科学出版社
［5］HFSS原理与工程应用 李磊 丁海强 2009 科学出版社
［6］微波工程基础 吕善伟 1995 北京航空航天大学出版社
论文作者:黄森 冯永芳
论文发表刊物:《科学与技术》2019年21期
论文发表时间:2020/4/17
标签：导体论文; 毫米波论文; 介质论文; 结构论文; 转接器论文; 连接器论文; 产品论文; 《科学与技术》2019年21期论文;