一种新型SMA型相位可调射频连接器的设计

蔡晓涛

(北京无线电计量测试研究所， 北京100854)

0 引言

伴随着国内外相控技术的广泛应用，对射频连接器件的相位一致性提出了很高要求。在实际应用中，射频连接器既要起到机械连接作用，又要保证电磁信号和能量的顺利传输［1］。从本质上说，射频连接器是一段带有连接结构的非均匀同轴连接体，之所以不均匀是由不可避免的台阶结构形成的，这些结构必须保证内、外导体相对位置的固定以及与同轴电缆内、外导体的连接［2］。SMA型系列连接器是一种非常常用的射频连接器，已经广泛应用于航空、航天、雷达、微波通信、仪器仪表等领域［3］。电缆组件是由射频同轴连接器和射频同轴电缆组合而成的，在电缆组件的研发设计中，电压驻波比是一个非常重要的参量，它实质上是对电缆组件传输特性阻抗的均匀程度以及对传输信号反射大小的反映，同时也反映了该电缆组件在电子系统中与系统的匹配程度［4-6］。

在相控阵技术中提到的相位一致性，是指电缆组件中任意两组电缆的相位一致，或者二者的相位差控制在可以接受的范围。影响电缆组件相位一致性的因素很多，例如:电缆组件的物理长度、介质的介电常数、温度和电缆弯曲度等。其中，相同工艺条件、相同温度下，电缆组件的物理长度对一组电缆组件的相位一致性有很大影响。目前，国内外在电缆组件相位一致性方面已经进行了大量研究，研究人员通过改进工艺，从仪器设备和工装上可以有效地保障电缆组件的相位一致性。这种方法虽然可以在一定程度上提高电缆组件的相位一致性，但对设备要求特别严格，增加了产品的加工生产成本。在实际加工生产中，所加工的电缆组件如果出现相位差异，就必须进行返修，势必会对电缆组件造成一定的损伤，影响组件的性能指标。

本文针对电缆组件在相位一致性方面存在的问题，提出了一种相位可以调节的射频电缆连接器。该连接器配接射频同轴电缆，加工成电缆组件，可以通过螺纹结构，实现连接器内导体和外导体物理长度的连续调节，从而实现整个电缆组件相位特性的改变。为了保证所设计的连接器在实现相位调节的同时具有较好的电性能指标，通过采用共面补偿优化设计方法，引入了补偿台阶和补偿垫片，有效地补偿了连接器设计中台阶突变所引入的不连续电容。通过对影响电缆组件电压驻波比特性和相位一致性关键因素的分析，提出的相位可调连接器在工作频率DC～18 GHz范围内，可以对电缆组件的相位进行有效调节，并且具有较好的电压驻波比特性。

1 结构及设计

常用的SMA型射频同轴连接器主要由内导体、外导体和绝缘支撑等部分组成。为了支撑和固定内导体与外导体的相对位置，内、外导体之间设计有绝缘支撑。目前，设计绝缘支撑的常用材料有聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等［2］。为了保证连接器内支撑段和空气段特性阻抗一致，同轴连接器每个截面的特性阻抗应尽可能与所接电缆的特性阻抗保持一致［7］。射频同轴连接器的特性阻抗公式为

式中:Z0为射频连接器的特性阻抗，常用值有50 Ω和75 Ω;εr为绝缘介质的相对介电常数;D和d分别为外导体的内径和内导体的外径［8］。

常用的射频同轴电缆传递信号实际上就是电磁波在同轴电缆上传播。对于在真空中传播波长为λ的电磁波，在同轴电缆中的波长为λε=λ/，εr为同轴电缆中传播媒质的相对介电常数。一个波长在时间上对应一个周期，在相位上对应于2π，所以每毫米对应的相位为2π/λε。所以，相位差和机械长度差之间的对应关系为

相位本质上是反映信号位置的物理量，所以，相位的大小体现的是信号相对位置的超前与滞后。为了保证信号的相位一致性，避免一组信号出现相位差，在高频通信中对射频电缆组件的相位一致性要求很高。表1给出了在空气媒质(εr=1)中1°相位在不同频率所对应的单位波长。

表1 1°相位在不同频率所对应的单位波长(εr=1)

根据一种常用的半柔性相位稳定射频同轴电缆160A的特性参数，设计了一种与之配接的SMA型相位可调射频同轴连接器SMA-J160XT。根据优化设计的结果，加工了连接器实物，并配接射频稳相同轴电缆160A，装配电缆组件，实物照片如图1所示。

图1 电缆组件的实物图

2 结果及分析

由于所要连接的射频同轴电缆160A的特性阻抗为50 Ω，即式(1)中 Z0=50 Ω，所以，根据阻抗匹配的要求，与该电缆配接的SMA型连接器SMA-J160XT也必须具有50 Ω的特性阻抗。影响射频连接器阻抗特性的参量有绝缘介质的相对介电常数εr、外导体内径D和内导体外径d。该SMA型相位可调连接器的绝缘支撑采用聚四氟乙烯材料，其相对介电常数为2.02。将绝缘支撑的相对介电常数εr带入式(1)计算可得

采用聚四氟乙烯绝缘支撑部分的外导体与内导体直径之间的比值满足式(3)的关系。同理，从连接器的结构图中可以看出，绝缘介质部分采用空气介质，其相对介电常数约为1。将空气绝缘介质的相对介电常数带入式(1)计算可得

采用空气介质部分的外导体与内导体直径之间的比值满足式(4)的关系。

利用基于有限元法(FEM)的电磁仿真软件Ansoft HFSS 11.0对所设计的SMA型相位可调射频连接器进行建模仿真并对重要结构参数进行优化。在HFSS中所建立的SMA型相位可调射频同轴连接器SMAJ160XT的模型如图2所示。

图2 SMA-J160XT射频连接器的HFSS模型

从连接器的HFSS模型图中可以看出，所设计的SMA型相位可调连接器主要由三部分组成:端口连接部分、相位可调部分、射频电缆部分。

1)端口连接部分:依据SMA型连接器军用标准GJB-5246要求，选择内导体的外径为1.27 mm。该部分所选用的绝缘介质为的聚四氟乙烯材料，相对介电常数约为2.02，该固态介质可以有效固定连接器的内导体和外导体的相对位置。根据式(3)计算可得外导体的内径为4.1 mm。端口连接部分完全满足50 Ω阻抗特性要求。

2)相位可调部分:由于所设计的相位可调连接器由内导体、外导体和绝缘介质三部分组成，所以，要调节连接器的物理长度，必须同时改变内导体、外导体和绝缘介质的物理长度。该相位可调部分采用空气介质，选择外导体的内径为5 mm，根据式(4)计算可得该部分的内导体外径为2.25 mm。相位可调部分在未改变物理长度的情况下完全满足50 Ω阻抗特性要求。

3)射频电缆部分:所设计的相位可调连接器配接的射频同轴电缆为一种可以用到18 GHz的具有机械相位稳定性的柔性电缆。表2给出了该电缆相位的机械稳定性。所选择的该相位稳定电缆完全满足50 Ω阻抗特性要求。

表2 电缆相位的机械稳定性

由于所设计的相位可调射频连接器的每个部分都各自满足50 Ω阻抗特性要求。但各个部分之间相互连接，在连接处由于内、外导体直径的突然变化，不可避免地出现了台阶，引入了不连续电容，破坏了整个连接器的阻抗特性，影响了连接器的电性能指标。为了使所设计的连接器具有较好的阻抗匹配特性，采用共面补偿设计方法，在相互连接部分的不连续部分设计了共面补偿台阶和共面补偿垫片。

在端口连接部分和相位可调部分之间设计有聚四氟乙烯补偿台阶。引入的补偿台阶厚度一般应小于外导体的直径，而且厚度越薄越好。根据加工精度情况，选择补偿台阶厚度为0.5 mm。图3给出了补偿台阶的直径d1对所设计连接器电压驻波比VSWR性能的影响。从图中可以看出，所引入的共面补偿台阶对整个连接器的电性能指标影响较大，通过设计共面补偿台阶可以有效补偿两段同轴线之间台阶变化所引入的不连续电容，根据连接器对电压驻波比性能的要求，选择d1=2.8 mm。

在相位可调部分和射频电缆部分之间设计有聚四氟乙烯补偿垫片。考虑到加工精度，引入的补偿垫片厚度与共面补偿台阶厚度相同，选择补偿垫片厚度为0.5 mm。图4给出了所引入的共面补偿垫片的直径d2对所设计连接器电压驻波比VSWR性能的影响。从图中可以看出，所引入的共面补偿垫片对所设计的连接器电性能指标影响较大，通过设计共面补偿垫片可以有效补偿所引入的不连续电容对连接器电压驻波比性能的影响。根据连接器对电压驻波比性能的要求，选择d2=1.4 mm。

图3 仿真的补偿台阶直径d1对VSWR特性的影响

图4 仿真的补偿垫片直径d2对VSWR特性的影响

连接器的阻抗连续性以及阻抗匹配特性直接影响所设计连接器的整体电性能指标。通过对影响连接器性能指标的关键尺寸进行优化，结合共面补偿台阶和共面补偿垫片对连接器性能的影响，得到了整个连接器的阻抗特性。图5给出了仿真的连接器在工作频率DC～18 GHz时的Smith阻抗圆图。从图中可以看出，通过引入补偿台阶和补偿垫片，有效地补偿了不连续台阶所引入的不连续电容;从图中还可以看出，所设计的连接器具有较好的阻抗匹配特性，从而保证了连接器具有较好的端口电压驻波比特性。

图5 仿真的连接器输入端口Smith阻抗圆图

根据所设计的SMA型相位可调射频连接器加工实物，配接射频同轴电缆，连接器的内、外导体分别与电缆芯线和屏蔽层进行焊接，加工了相位可调的电缆组件实物。利用矢量网络分析仪Agilent E8364B对所加工的电缆组件实物的电压驻波比和相位特性进行测试。

图6给出了所加工的电缆组件通过调节物理长度，整个电缆组件电压驻波比和相位特性的不同状态。图6a)为电缆组件相位调节的初始状态，图6b)～6d)为调节相位可调螺母改变电缆组件电长度后电缆组件的电压驻波比和相位特性的测试结果。从图中可以看出，所设计的相位可调电缆组件具有明显的相位调节特性，并且在调节相位的同时，保证了电缆组件的电压驻波比特性。图7给出了所设计的相位可调电缆连接器在不同频率调节相位时，电缆组件所对应的电压驻波比特性。

图6 电缆组件不同电长度下的VSWR和相位特性

综合图6和图7，可以看出，所设计的相位可调射频连接器在整个工作频率范围DC～18 GHz内，可以实现电缆组件相位特性的有效调节，同时，具有较好的电压驻波比特性。相位有效调节的范围可以达到0°～15°，在相位可调范围内，电压驻波比满足VSWR＜1.3的电性能指标要求。

图7 不同频率调节相位差所对应的VSWR特性

如图8所示，所设计的相位可调连接器调节完相位后，通过旋转套在外导体上的锁紧螺母，使得锁紧螺母尾部挤压外导体尾部的楔形部分发生向内的形变，压紧外表面带有螺纹的套筒，从而实现整个相位调节部分的固定。通过振动试验，所设计的相位可调射频连接器完全可以满足振动试验要求。锁紧螺母固定后，再在整个电缆组件上缩上热缩套管，整个电缆组将装配完成。

图8 连接器的尾部固定结构图

通过螺纹连续调节，所设计的SMA型相位可调射频电缆连接器可以有效解决电缆组件的相位一致性问题，满足工程中对电缆组件相位一致性的苛刻要求。

3 结束语

本文提出了一种SMA型相位可调射频连接器。通过螺纹连续调节连接器内导体和外导体的物理长度，实现了整个电缆组件相位的改变。通过共面补偿优化设计，引入共面补偿台阶和补偿垫片，有效补偿了连接器物理台阶所引入的不连续电容。通过对加工的电缆组件实物进行测试，所设计的相位可调射频连接器在DC～18 GHz频率范围内;通过调节物理长度，相位可实现0°～15°的连续调节，测试的电压驻波比VSWR＜1.3。所提出的SMA型相位可调射频连接器结构简单，相位调节方便，可以有效解决电缆组件的相位一致性问题，完全可以满足相控阵技术对连接器件相位一致性以及电性能指标的要求，具有较广阔的应用前景。

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