SMPM－SMA2.9射频转接器的设计

真 莹

(上海雷迪埃电子有限公司，上海市，200072)

1 引言

SMA2.9是经典的连接器界面，采用空气介质，兼容 SMA3.5和 SMA系列，工作频率达40GHz;SMPM是一种新型超小型快插式界面，工作频率高达65GHz，有滑腔界面和全制动界面可选，符合MIL－STD－348标准。

SMPM型连接器系列在特征和应用上与SMP系列相似，但是，其体积要小30%。在高密度板对板连接、天线和其它有限空间里的高性能通信应用场合中，比其它盲插和推入式系列更具优势。因其连接快捷及可靠、频率高、体积小、重量轻等特点，使得此类连接器和电缆组件被广泛应用于通信、测试、测量、航天、军工、光电等领域。

就目前的市场应用情况，频率范围基本限于40GHz以内，多数在20GHz以内，尽管不需要更高频率的射频性能，却要求结构小型化和快速盲插，所以，SMPM成了最佳选择。SMPM产品范围包括连接.047和.085半钢电缆的连接器、连接PCB和面板的插座以及玻璃烧结的密闭插座等，因此需要有转接器对提供给客户的各种不同产品进行射频性能测试。然而，目前所用的SMPM转接器都是由国外设计和制作，价格很贵。毕竟，测试转接器属于易耗品，从成本和实际应用的角度最好自己研发和制作。当前只针对40GHz以下，着重20GHz以内的产品。为了通用性和兼容性，设计成SMPM转SMA2.9形式的转接器。

2 设计原理

2.1 同轴射频转接器设计的基本原理

SMPM－SMA2.9同轴转接器实际上是两个不同的同轴界面的匹配连接，所以，归结为同轴连接器结构的设计和相互的阻抗匹配问题。

1)传输段特征阻抗的设计应尽可能保持一致，减少阻抗不连续性，尽量设计为50ohm。经典的同轴线截面特性阻抗近似公式为:

式中，Z0——理想同轴线的特征阻抗;

D——外导体内经;

d——内导体外经;

ε——介质相对介电常数。

2)同轴线结构选择空气结构，以尽量减少绝缘子对传输线带来的不连续性。

3)由于两种界面尺寸相差较大，故采用多级变换结构，将中心针从SMA2.9的相对大直径尺寸变换到SMPM的小直径尺寸，腔体内径尺寸也相应呈现阶梯形。这样连接器内部出现了结构的不 连续过渡，从而造成了阻抗的不连续性。对这种不连续的台阶处所引入的并联电容，采用常规的错位补偿方法，预置一定的错位尺寸△用以抵消台阶造成的附加电容。在接下来的整个转接器的设计仿真中再对该△进行优化。另外实际结构中为了安装和固定中心针，必然引入绝缘子作为支撑。其支撑处是阻抗不连续的主要部分之一。绝缘子与腔体不连续处采用共面补偿。

4)由于频率高，支撑中心针的绝缘子本身结构和尺寸就非常重要。

2.2 绝缘子的设计与选择

虽然SMA2.9/SMPM转接器选择空气结构形式，空气段多，高频性能相对稳定，但无论如何必须有绝缘子支撑。绝缘子的大小、形状和材质对射频电性能影响很大。而且由于频率很高，转接器中心针和同轴腔内经尺寸很小，对应的绝缘子尺寸也很小。如此小型化的SMPM界面向使用传统的PTFE冲压绝缘体所支撑的中心针的结合力和保持力提出了挑战。

雷迪埃新近研制了一种超小型PEEK树脂铸模绝缘子。由于PEEK树脂是聚合物热塑性塑料，具有优异的机械、力学性能和耐高温热性能，以及化学稳定性，使用PEEK树脂绝缘子的SMPM连接器和相应的电缆组件在正常装配和焊接过程中可承受更多的机械应力和热能，不至于造成形变，影响性能。中心针的结合力和保持力比用传统冲压的PTFE绝缘子支撑更高。

这种新型的小体积PEEK树脂绝缘子的直径小于2mm。采用电磁仿真软件，优化了结构，加上材料的机械、化学和热的稳定性，射频性能一致性也很好。射频性能高达65 GHz。它能够用在大多数SMPM电缆线以及连接器上。所以，这种绝缘子也是转接器设计的最佳选择。

2.3 一对转接器的仿真设计

将一对同轴转接器连接在一起来仿真设计，以达到整体传输线的匹配。采用微波电磁场仿真软件CST，建立三维模型，进行电磁场仿真和设计。先代入前面所述公式计算的初步的尺寸参数，仿真时设置变量，不断调整和优化转接器元件内部结构和尺寸。

将一对 SMPM Male－SMA2.9 Male和 SMPM Female－SMA2.9 Female转接器连在一起仿真，如图1所示。转接器内部结构的设计运用了错位补偿和共面补偿两种形式。

图1 一对SMPM－SMA2.9转接器3D仿真模型内部结构示意图

设计仿真过程包括转接器的中心针尺寸，即每级阶梯段的长度和直径，以及相应的外腔阶梯内径的尺寸，每级台阶变换位置和每个错位△大小的设计，还有绝缘子放置的位置。仿真模型还要考虑实际样品的可实现性，以及机械性能，比如绝缘子与中心针的定位结构和支撑位置，以保证足够的中心针保持力;产品实际金加工和装配可操作性也必须考虑在内。由于元件尺寸非常小，金加工和装配的公差，对最终射频性能会造成较大影响，所以，设计的结构应尽量简洁，零件尺寸应尽量便于控制。下面是仿真模型结构和最终优化的射频驻波结果。

图2 一对SMPMe－SMA2.9转接器的VSWR仿真曲线

虽然SMPM界面频率可达65GHz，但 SMA2.9界面频率只到40GHz。所以，所设计的转接器只仿真到40GHz。经过反复优化，最终仿真达到在40GHz以内驻波比均小于1.15。

3 设计结果

3.1 实物照片

图3 所设计的转接器元件实物

3.2 样品测试结果

实际制作了样品。测试在Anritsu 37269D网络分析仪上完成。校准用SMA2.9校准件，频率到40GHz。将一对转接器直接连接到仪器的测试端口上测试，其测试结果如下:

样品一对转接器SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female频率(GHz)0～22GHz 22～40GHz实测值VSWRmax 1.129 1.363实测值IL(dB)max 0.197 0.381

样品SMPM Male－SMA2.9 Male(单个转接器:用VNA的Gate功能)SMPM Female－SMA2.9 Female(单个转接器:用VNA的Gate功能)频率 (GHz)0～22GHz/22～40GHz 0～22GHz/22～40GHz实测值VSWRmax 1.112/1.221 1.089/1.188

驻波比测试曲线如下:

图4 (一对转接器:SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female) 驻波比

图5 (一对转接器:SMPM Male－SMA2.9 Male+SMPM Female－SMA2.9 Female)插入损耗

图6 用网络分析仪的时域Gate功能测得一只SMP Male－SMA2.9 Male转接器的驻波比

图7 用网络分析仪的时域Gate功能测得一只SMP Female－SMA2.9 Female转接器的驻波比

测试结果与仿真结果基本吻合，曲线趋势一致，零件加工的精度和装配的误差会使理论与实际值有一些差别。为了性能更好，今后还需要作一些改进，力争将28GHz左右处的峰值压下来。

3.3 样品绝缘耐压测试结果

绝缘耐压＞500 V，测试条件60s，不击穿;绝缘电阻＞5000 MΩ。

4 结论

设计结果在当前的使用场合是可以接收的，可应用于通讯领域的配套产品，目前已用于产品的测试。

［1］Radiall SMPM界面定义标准.

［2］Radiall SMA2.9界面定义标准.