110GHz射频同轴连接器的研制

柏雪崧

(中国电子科技集团公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1 引言

110GHz射频同轴连接器是一种毫米波元件。由于毫米波元件工作频率高，不易被截获和干扰;频带宽，适用于高速传输超大容量的信号;有较强的雾、云、尘埃穿透能力和核爆环境中保持通讯的能力，可广泛应用于毫米波通讯和雷达系统等现代信息化综合电子系统。作为毫米波传输线的一种，110GHz射频连接器具有体积小、重量轻等特点，更易实现小型化、轻量化的需求，其应用范围越来越广泛。国际上，在DC～110GHz频段，同轴毫米波元件已逐渐替代了昂贵的、笨重的波导元件。

我们于2011年开始研制在110GHz频段上的连接器，目前已通过试验验证并应用，其性能与国外同类产品相当。下面我们主要阐述该连接器的研制情况。

2 主要性能指标

110GHz射频同轴连接器主要技术指标参见表1所示。

表1 110GHz射频同轴连接器主要技术指标

3 设计方案的确定

3.1 110GHz射频连接器的特点

110GHz射频连接器有几个明显的特点:首先是连接器的工作频率接近相同规格空气同轴线的截止频率，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和内导体结构带来的影响要设法降低。其次是内导体采用有极性的针孔式结构，这是因为在小尺寸的情况下采用无极性的平面接点会造成很多困难。

110GHz射频连接器的结构虽然有各式各样，但它们的基本作用有两个:连接或转接。图1是110GHz射频连接器的典型结构图。

110GHz射频连接器在内外导体之间除两个绝缘支撑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基本相近，获得了较高的重复性能。

图1 110GHz射频连接器结构图

110GHz射频连接器的基准面在阴、阳内导体的结合处，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。其中插孔最关键，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。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。在毫米波连接器中一般都采用开槽式结构的插孔。

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，使它们之间没有间隙的存在即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)应当为零或者是在一个允许的很小的负数。

110GHz射频连接器的连接机构采用螺纹形式:连接螺纹为M4×0.7;采取空气界面，外导体内径为1.0mm，插孔的外径为 0.434mm，孔径为 0.26mm，壁厚最薄仅为0.07325mm，强度非常差，且使用时插孔外部为空气界面，没有介质保护，因此使用可靠性要求特别高，同时，外导体内表面、内导体外表面的表面质量要求特别高，要求表面粗糙度Ra不大于0.4μm。

在毫米波连接器中为了固定内、外导体，常常使用绝缘介质来做支撑。在均匀同轴线中引进的绝缘支撑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的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。

由于110GHz射频连接器的的工作频率接近相同规格空气同轴线的截止频率，限制了绝缘介质支撑材料的相对介电常数也要相当小，接近空气的介电常数εr=1，就要求采用低介电常数或用特殊方法得到低介电常数的介质支撑。

同时，由于110GHz射频连接器的内、外导体尺寸极小，为了保证连接器的电压驻波比、插入损耗、介质耐电压、绝缘电阻等指标，还必须对连接器内导体、绝缘支撑、外导体间的同轴度等位置公差有更高的要求。

3.2 110GHz射频连接器的结构及关键参数设计

110GHz射频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。110GHz同轴连接器内外导体之间除很薄的支撑绝缘支撑外，全部由空气介质填充，因此，连接器的接口可以把它看成一段带绝缘支撑的空气同轴线。

工作至110GHz的1.0连接器最早是由HP公司提出，国际电工会议已制定了该连接器的标准，标准号为IEC61669－31，其界面主要尺寸见图2。

根据传输线的经典理论公式可分别初步计算连接器内、外导体的直径和截止频率。

图2 1.0连接器界面尺寸

图3 1.0/KK型连接器

毫米波连接器的特性阻抗计算公式:

式中，

真空导磁率 μ0=4π ×10－7享/米

光速 C0=299，792，458 ±1.2 米/秒

计算出连接器内、外导体的直径后，绝缘介质支撑的材料选定后，根据50Ω空气线的理论截止频率计算的近似公式:

以上图连接器为例，其内结构见图4，内、外导体在绝缘支撑处A－A、空气介质处B－B的截止频率分别为:

图4 连接器介质支撑结构

从以上计算结果可知，设计的连接器的截止频率满足110GHz的要求。

110GHz射频连接器结构设计必须满足其主要电气性能。这是连接器结构性设计的根本，同时需要配接电缆的连接器为了保证电缆组件的电性能，还要设计合理的与电缆配接结构。

初步设计图纸完成后，还必须对内、外导体直径的公差和同轴度，内导体轴向间隙等进行合适的规定。

110GHz射频连接器内外导体直径的公差计算公式:

G——间隙宽度(mm)

f——频率(GHz)

△S——电压驻波比增量

d 和 dg——直径(mm)

ω——插孔开槽宽度(mm)

N——开槽数目

设计时，先根据理论计算公式对内、外导体直径公差、偏心度及内导体轴向间隙进行初步规定。

3.3 介质支撑材料、结构

介质支撑零件是毫米波连接器的关键件之一。微波传输路径中的绝缘材料要求相对介电常数和介质损耗角正切要小、较高的体积电阻率和介电强度，耐温度范围宽，尤其要耐高温。传统的毫米波连接器绝缘介质材料是聚四氟乙烯和氟聚物，但不能采用实芯结构，而要采用去除部分介质技术设计新型的绝缘支撑结构，以降低绝缘介质的相对介电常数值。

3.3.1 绝缘支撑厚度

在均匀同轴线中绝缘支撑的谐振频率是绝缘支撑厚度B和其介电常数的函数。在厚度B一定时，谐振频率随介电常数 的减小而升高;在 一定时，谐振频率随绝缘支撑厚度B的减小而升高。当B趋近于零时，就成为一个空气同轴线，其谐振频率由它的截止频率所决定，这时波在空气中能稳定传输而不发生谐振。而当B接近外导体直径D时，由于绝缘支撑谐振作用使得同轴线中的电磁波传播极不稳定，并使得同轴线的截止频率受到约束而下降。由此看来，绝缘支撑厚度必须小于外导体的直径(B＜D)，而且厚度越薄越好。

在同轴线中不发生H10(TE10)高次模时，绝缘支撑厚度B的关系式为:

式中，

λg——同轴线的工作波长

f——工作频率

fc——截止频率

εr——绝缘支撑的相对介电常数

3.3.2 绝缘支撑间距

一对同轴连接器插合好后，绝缘支撑在同轴线中的位置模型如图5所示。A表示两个绝缘支撑之间的距离，A1表示一个绝缘支撑一面到同轴线直径发生突变的平面之间的距离。

图5 绝缘支撑位置模型

绝缘支撑谐振不但是一个绝缘支撑本身的电场所决定的，而且外部空间的影响也很重要。在A空间两个绝缘支撑的电场会互相作用而影响到它们的谐振条件。在A空间也会产生寄生振荡电场，使谐振频率受到约束而下降。经对它们谐振特性研究表明:两个绝缘支撑之间的距离A必须达到相当大的值，约为A=2D时，两个绝缘支撑的相互影响就较小，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，每个绝缘支撑必须离开基准面大约1～1.5倍D的距离。A1对谐振频率的影响与有两个绝缘支撑时的情况相似，但这时相当于单个同轴连接器的情况，当A1=D时，谐振频率与A1就没有什么依赖性，A1再增大影响也不大，到A1=1.5D以上时，影响就可以忽略不计了。在110GHz射频连接器设计中，绝缘支撑之间的距离应满足下列条件:

A≥2D，A1≥D

3.3.3 低介电常数绝缘支撑

同轴线要达到稳定传输而不发生振荡，那么绝缘支撑的厚度越薄越好。但是由于结构上机械支撑的需要，绝缘支撑的厚度又不能做得太薄，否则会影响内导体的稳固性和直线度，不仅会影响到高频传输特性，而且还会直接影响到阴、阳内导体的插配，增加磨损，降低寿命。从实现良好的支撑作用出发，又希望绝缘支撑厚一些好。从上述的绝缘支撑厚度关系式可以看出，在同轴线结构确定的情况下，要得到较厚的绝缘支撑只有设法降低绝缘支撑的介电常数εr。

经过研究及试验证明，采用混合介质支撑的最好方法是采用整体绝缘支撑上去掉部分介质材料的办法。实际上，它是一种用空气与介质材料组合的绝缘支撑。就绝缘支撑整体效应而言，起到了降低绝缘支撑介电常数的作用，称之为等效(或平均)介电常数，其计算公式为:

式中，εr——固体介质材料的介电常数

ε——空气的介电常数

Vs——绝缘支撑中固体介质材料的体积

Vt——绝缘支撑的总体积

假设空气介电常数ε=1，则上式可以表示为:

式中，Vi——绝缘支撑被挖空部分的体积。

图6 低介电常数绝缘支撑结构示意

本产品采用的低介电常数绝缘支撑的结构形式如图6所示。

同时，对内导体、绝缘支撑进行一体化结构设计(见图7)，以利于用精密模具模压成型，以保证同轴度。

图7 内导体、绝缘支撑进行一体化结构设计

3.4 内导体弹性件设计

内导体弹性结构件很小，是微精零件，加工精度达μ级和亚μ级。

本项目连接器的插孔采用以下结构形式(见图8)，对于插孔来说要求接触面积大，接触压力小。

图8 插孔接触件

但是，开槽插孔有个缺点，这就是:

①与插针插配时，它的尺寸精度受插针尺寸精度的影响，插配后尺寸往往增大而使性能变坏;

②开槽还会引起出下式确定的阻抗误差:

式中，N为开槽数，W为槽宽，d为外径。

本产品的弹性内导体采用两槽式结构，特点是加工难度较小，可以保证内导体的尺寸、形位公差和表面精度。同时，根据以上公式对开槽尺寸进行计算，以研究其宽度对产品阻抗的影响。

3.5 110GHz射频连接器的仿真优化

均匀介质(固体介质和空气介质等)支撑部分内、外导体的直径通过理论公式可以比较精确地计算得到，但在内、外导体直径尺寸突变处，理论公式仅仅可以计算出参考尺寸。为了保证产品的设计质量，提高效率，完成设计草图后，充分利用Ansoft公司的HFSS高频电磁场设计仿真软件，对其进行电磁场仿真。

先在软件中建模，见图9。

图9 HFSS软件中110GHz连接器模型

模型中，把绝缘支撑共面高抗补偿部分的径向和轴向尺寸均设为变量，设置好各参数后，对连接器进行仿真，得到VSWR和阻抗曲线见图10、图11。

然后从中选取VSWR和阻抗参数均较好、相邻曲线不敏感及其参数较好的一条，选取补偿变量值作为设计尺寸(见图12、图13)。

图10 VSWR曲线

图11 阻抗曲线

图12 VSWR曲线

图13 阻抗曲线

试制时，再对试验样品进行反复测试验证，取得实测数据，以获得优化设计方案，完成产品的最优设计。

4 结论

本文通过理论计算及研究，完成介质支撑、内导体弹性件以及整体结构设计与仿真，并形成连接器样品，经测试，产品全部符合技术指标要求。该连接器的设计开发，为以后其它毫米波产品的开发奠定了基础。

［1］ 黎安饶.微波技术基础［M］，成都:电子科技大学出版社，1998.

［2］ 郑兆翁.同轴式TEM模通用无源器件，［M］北京:人民邮电出版社，1983.