同轴连接器结构偏心问题探究

(中国电子科技集团公司第四十一研究所，山东青岛，266555)

1 引言

空气型同轴连接器是一种通用的微波元件，用于不同微波器件之间的互联。随着微波技术的发展，空气型同轴连接器的工作频率不断提高。常用的工作频率达到20GHz以上的空气型同轴连接器，有3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm和1mm等几种类型。随着频率的升高，同轴连接器的界面尺寸越来越小，生产难度也越来越大。

目前，关于同轴连接器的研究，主要集中在整体设计和可靠性方面。事实上，随着界面尺寸减小，内、外导体偏心对连接器性能的影响也越来越严重。内、外导体偏心，会引起特性阻抗的变化，产生较大反射，易激发高次模，在互联过程中，还会使内导体插孔倾斜，造成内导体不能很好的接触或破坏同轴结构性质[1]。

本文在理论分析的基础上，重点研究了空气型同轴连接器的内、外导体偏心问题。

2 理论分析

在理想状态下，均匀的空气同轴传输线的特性阻抗为[2]：

(1)

其中，b为外导体内半径，a为内导体外半径，ε0为空气的相对介电常数，且ε0≈1[2]。

图1 连接器截面的偏心示意图

实际上，内外导体的中心不可避免的存在一定偏差，如图1所示。内外导体不同心所引起的特性阻抗偏差为[1][3]：

(2)

其中，e为内、外导体轴心的偏心大小；对于空气型同轴连接器，填充介质为空气，则ε0≈1[2]；若不考虑加工误差，对于特定类型的同轴连接器，a、b参数是一定的(不同类型连接器的内、外导体尺寸，见表1)，可视为同轴连接器的固有参数。这里可以引入偏心敏感度因子Δτ的概念，其中：

(3)

对于特定类型的空气型同轴连接器，其偏心敏感度因子Δτ是一定的，仅与连接器的界面尺寸有关。

根据公式(3)，可以计算出不同类型的空气型同轴连接器相对于偏心的敏感度因子Δτ。表1给出不同类型的空气型同轴连接器所对应的偏心敏感度因子，不难发现，随着频率提高，界面尺寸变小，偏心大小对同轴连接器的阻抗变化的影响越来越敏感，同样大小的偏心，高频段连接器的阻抗变化要大的多。因此，对于高频段的连接器，对其同心度提出了更高的要求。

表1 不同类型连接器的截面尺寸和敏感度因子

根据式(2)、(3)，偏心大小所引起的特性阻抗的变化关系，可表示为：

(4)

由公式(4)，在已知同轴连接器的阻抗要求条件下，可计算得到所允许的偏心大小。一般情况下，希望偏心所引起的阻抗变化，不超过理论值1%，表2给出了阻抗变化1%时，不同类型的同轴连接器所允许的最大偏差。可见，对于工作带宽越大、界面尺寸越小的同轴连接器，在特定的阻抗变化条件下，所允许的最大偏心也越小。

表2 不同类型连接器阻抗误差1%所允许的最大偏心

3 偏心产生的原因

理论上，内、外导体通过绝缘子的固定，保持同心状态，但实际上，各零件的加工和装配误差是不可避免的。内、外导体的轴线上的同轴偏差，绝缘子内孔和外圆的同轴偏差，都可能引起内、外导体不同心。加工误差主要由工艺水平和机床精度来保证，本文不再赘述。

对于装配误差，内导体和绝缘子之间的装配，极易引起偏心。实际上，总是希望内导体直径等于或略大于绝缘子内孔直径。但绝缘子一般采用聚四氟乙烯、聚苯乙烯等材料[3][4]，可加工性较差，且强度、耐热性也远差于金属材料，因此绝缘子的内孔直径不易控制，内导体和绝缘子之间极易存在装配间隙。本节重点分析内导体和绝缘子之间的装配间隙对偏心的影响。

3.1 内导体和绝缘子的装配误差

如图2所示，绝缘子的内孔直径D、内导体直径d，理论上大小相同，若因误差使得D>d，则两者之间存在装配间隙，即会引起内导体倾斜，内导体与理想轴线存在切斜角θ。实际上，连接器的长度尺寸，一般是直径D的几倍甚至十几倍，这样，在远离绝缘子的位置，内、外导体偏心存在放大效应，极小的倾斜角θ，在远离绝缘子位置，就可能产生较为严重的偏心。

图2 绝缘子和内导体装配间隙产生的偏心

根据几何理论，不难得出以下公式：

d′·cosθ=d

(5)

L·tanθ=D-d′

(6)

Δe=Lx·sinθ

(7)

其中，Lx为接触中心位置距内导体端面距离，Δe为装配间隙引起的偏心大小，L为绝缘子和内导体的配合长度。

(8)

设绝缘子和内导体为配合间隙为Δt，即

Δt=D-d

(9)

根据公式(7)(8)(9)，可计算得到倾斜角θ和偏心Δe，与长度L、间隙Δt的关系。

以1.85mm连接器为例，其内导体外径d=0.804mm(见表1)，实际使用中长度Lx一般不能太小，本文取Lx=5mm，则倾斜角θ与长度L、间隙Δt的对应关系如图4所示，偏心Δe与长度L、间隙Δt关系如图5所示。不难发现，配合长度L一定时，偏心Δe与间隙Δt正相关，即配合间隙越大，偏心越严重；配合间隙Δt一定时，偏心Δe与长度L负相关，即绝缘子和内导体的配合长度越大，偏心越小。

图3 倾斜角θ与厚度L、间隙Δt的对应关系图

图4 偏心Δe厚度L、间隙Δt关系图

3.2 改进措施

综合上述分析，绝缘子的内孔直径D、内导体直径d，是影响同轴连接器偏心与否的关键尺寸。通过提高工艺水平，控制两者的精度，使其为轻微的过盈配合，是减小内、外导体偏心的关键。另外，在结构上，还可以采取以下措施，减小绝缘子和内导体的装配误差对内、外导体偏心的影响：

(1)增加绝缘子和内导体的配合长度L

绝缘子的设计中，一般不希望绝缘子过大而引起的较大的不连续性。可采用图5结构，在不增加或者少增加绝缘子的重量的情况下，尽可能增大绝缘子与内导体的配合长度L。

(2)采用双绝缘子的支撑结构

如图6所示，采用双绝缘子结构，也可以理解为增加了绝缘子和内导体的配合长度L。该结构可以较好的保证内、外导体同心，但两处不连续结构对同轴连接器整体指标有较大影响影响，需要在设计中综合考虑。

图5 绝缘子部分加宽结构

图6 双绝缘子结构

4 总结

本文重点分析了同轴连接器的偏心问题，得出以下结论：

(1)不同类型的连接器，随着频率提高、截面尺寸变小，偏心对阻抗变化影响越来越大；(2)给出了阻抗变化1%时，不同类型同轴连接器所允许的最大偏心；(3)给出了绝缘子和内导体的装配间隙引起偏心大小的计算方法，偏心大小与绝缘子和内导体的配合间隙正相关，与绝缘子和导体的配合长度负相关。

上述结论对空气型连接器的设计、零件加工及检验，尤其对解决同轴连接器的内、外导体偏心问题，具有一定的指导意义。