一种适用于自动化测试的浮动盲配连接器设计方案

(京信通信技术(广州)有限公司，广东广州，510730)

1 引言

现有的天线产品连接器主要使用了螺纹进行机械连接，需要使用合适的工具，同时对扭矩的范围有严格的要求，扭矩过大或过小都会影响测试结果及接头的寿命；同时，螺纹连接不方便，不适合快速安装，使用也性能不好。为了提升产品测试效率，需要有一种浮动盲配的连接，以保证有足够的配接容差，使产品能够得到快速、正确的连接。

图1 标准连接器接口示意图

2 连接器方案

在天线产品中，射频连接器作为信号传输联接的重要载体，有着非常重要的作用。其不仅仅是机械连接，更多的涉及到电气指标要求。典型的电气指标：VSWR≤1.15@0.8GHz-3GHz;PIM3≤-120dBm@2x43dBm 。

为了保证连接器的互换性，国标对连接器的各类关键特性做了明确的要求。所以，我们的整个设计实现方案也必须在国标的框架上做结构的调整。

经过对方案的评估，我们认为实现PIM3(Third Order Passive Intermodulation)是最困难的。因为PIM3要求连接器的接触压力T要满足要求。根据我们前期的试验，我们确认要保证三阶互调稳定，必须保证连接器电气接触面的接触压强T不小于4Mpa。

我们想到的最直接的方式就是通过气缸直接推动连接器来实现测试连接。但根据我们实现的测试结果分析，我们发现由于连接器的公母头同心度无法保证，经常出现测试结果差异大，重复性差。考虑到待测产品(DUT)本身就会有较大的差异(实现随机测试，DUT上的连接器位置偏差达到0.15mm)，即使我们通过工装来保证器件的每次位置都绝对统一也很难保证测试的要求(同轴度要求0.015-0.02mm)。

有鉴于此，我们考虑设计一下浮动盲配的连接器，其通过合理的结构，允许通过导向装置来实现产品的自居中，保证测试结果可信。

图2 浮动连接器示意图

3 连接器结构设计

3.1 参数设计

为了使连接器接触可靠，有良好的三阶互调表现，需要保证接触面的压强高于4MPa。

1)对于N型连接器，接触圆环内径为7mm，外径为8mm，则接触面积为：11.78mm2；

2)对于Din型连接器，接触圆环内径为16mm，外径为18mm，则接触面积为：53.4mm2。

即，为保证有合适的接触压强，需要弹簧工作时提供的压力如下：

1)对于N型接头，Fmin=11.78×4=47N；

2)对于Din型接头，Fmin=53.4×4=213N。

考虑到弹簧压缩时，合适的压缩量为弹簧自由高度的20%-80%，即弹簧的初始压紧力最小为Fmin/4。结合连接器的实际尺寸，初步界定弹簧的工作行程为8mm。由此，我们可知弹簧的刚度系数至少为：k=(Fmin-Fmin/4)/8。即对于N型连接器，预估弹簧的刚度系数为4.4N/mm；对于Din型连接器，预估弹簧的刚度系数为20N/mm。考虑到实际的工作行程可调整，即上述的刚度系数可做适当的调整，允许有±10%的偏差。

另外，对于N型接头，我们知道由于插孔的阻抗匹配要求，接头外壳尺寸最小为8mm(壳体厚度为0.5mm)，但为保证壳体的刚度，一般合理的最小外壳直径大于9mm。参考国家标准弹簧中径，选取N型的弹簧中径为12mm；同理，对于Din型弹簧，选取弹簧中径为22mm。

在上述的基本条件的基础上，我们可以估算出，N型弹簧的直径应在1.4-1.8之间，Din型弹簧的直径应在2.5-3.0之间。选取65Mn钢丝(σB=2250MPa，切变模量G=80GPa)，结合标准的弹簧设计公式，我们选出如下几个满足要求的弹簧：

表1 弹簧对照表

3.2 弹簧片计算

簧片主要用于导向，保证对接的连接器之间一定的同轴度。这就要求，如果两连接器偏心，簧片要能够将其导正。由于弹簧的工作压力分别为47N与213N，据经验，弹簧与连接器间的摩擦系数为0.2，即偏心调整力分别需要：9.4N与42.6N(由于连接器的质量较轻，可忽略不计)。

对于N型连接器，其螺纹的大径尺寸D1的最大与最小值为：D1max=15.84；D1min=15.66。

对于Din型连接器，其螺纹的大径尺寸D2的最大值与最小值为：D2min=28.98；D2max=28.993。

1)对于N型连接器，δmax=(15.84-15.5)/2=0.17mm；δmin= (15.66-15.62)/2=0.02mm；

2)对于Din型连接器，δmax= (28.993-28.87)/2=0.0615mm；δmin= (28.98-28.95)/2=0.015mm。

图2 簧片内孔尺寸示意(1)

图3 弹簧内孔尺寸示意(2)

则簧片产生的实际弹力为：

n：簧片内孔开槽数；

E：簧片材料的弹性模量。选Sn6.5-.01，则E=113000MPa；

δ：簧片的变形量；

L：簧片悬臂长度；

1)对于N型连接器，Fmin=11N，Fmax132N；

2)对于Din型连接器，Fmin=42N，Fmax172N。

当然，实际的模型是，当簧片用于偏心调整时，6瓣簧片中，应该只有3片簧片与待测接头有接触，即n=3；但同时，此接触的3瓣簧片的变形量也至少要翻倍。由公式可知，此时产生的最小偏心调整力仍然不变，甚或更大。

3.3 浮动间隙验算

3.3.1 同轴度计算

由前面的方案，我们可以知道，本方案主要是采用簧片进行偏心调整。同时，由2.1、2.2的计算，可以知道，当待测接头与测试接头的偏心超过δmin时，由簧片产生的弹力足以将测试接头的偏心进行调整，以保证待测接头与测试接头的同轴度小于δmin。即，对于N型连接器，可以保证的同轴度为0.02mm，对于Din型连接器，可以保证的同轴度为0.015mm。

3.3.2 测试对接时偏心量计算

1)N型方案一。N型接头的外接触件做粗导向，插入一定深度后，依据簧片做偏心调整，保证待测件与测试接头的同轴度。

图4 N型插入粗导向(最大偏心0.5mm)

图5 N型插入精导向(最大偏心0.02mm)

2)N型方案二。N型接头直接依靠簧片做粗导向和精导向，并进行偏心调整，保证待测件与测试接头的同轴度。

图6 N型插入粗导向(最大偏心1mm)

图7 N型插入中(测试头与待测头外界面对齐)

图8 簧片继续起到精导向的作用(最大偏心0.02mm)

图9 接头完全插到位后的状态

从上图中可以看出，方案二的最大偏心调整可达1mm。但相应地，其对待测接头的外形有一定的要求。

3)Din型方案一

图10 簧片起到导向的作用(最大偏心0.8mm)

图11 接头完全插到位后的状态

3.3.3 轴向浮动验算

由于接头的压紧是由弹簧来保证，且我们的弹簧工作时的压缩量不大于总压缩量的80%。实际情况是，弹簧即使100%压缩，也是可以工作的，只是弹簧寿命会有所缩短。如果我们允许弹簧的极限压缩量为90%，即弹簧轴向浮动量为10%的弹簧最大压缩量。对于表1所选定的弹簧，我们可以计算出，轴向浮动量如表2所示。

显然，轴向浮动量最小为1.6。实际工作中，由于弹簧工作时的压缩量会小于最大压缩量的80%，即允许浮动量会更大。

3.4 性能仿真

仿真结果：

图12 Din型接头仿真结构图

图13 Din型接头仿真结果

图14 N型接头的仿真结构

图15 N型接头的仿真结果

3.5 实测结果

图16 产品实际样图

-128-122-120-122-129-120-128-126-120-119-127-124-120-123-127-126-123-120-129-126-124-130-125-124-120-128-131-126-119-127-131-129-126-122-123-122-124-125-128-120-122-126-129-120-123-120-123-121-128-126

从实际制作的样品来看，浮动连接器的互调水平优于-120dBm，测试的可重复性和可重现性大幅度优于常规连接器，取得了较好的使用效果。

4 结论

本文通过对射频同轴测试技术的深入分析，提出了一种浮动盲配的射频同轴连接器，最终实现了允许轴向浮动间隙0.5mm、径向浮动间隙0.5mm的测试场景，并成功地应用于天线馈线产品的自动化测试中，并为后续天线产品整机的自动化测试提供有益的测试改善方向。