王小愛

(陜西工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院機械工程學院, 陜西 咸陽 712000)

0 引 言

電連接器在國外已有100多年的發(fā)展歷史，其工藝技術(shù)已經(jīng)非常成熟.而同軸連接器由于同軸電纜的插入損耗大，因而限制了其發(fā)展，直到20世紀70年代美國對通用電纜連接器和精密同軸連接器做了大量標準化工作之后同軸連接器才得到了深入發(fā)展.電連接器在我國建國初期主要依賴從原蘇聯(lián)進口，在研制初期基于原蘇聯(lián)的標準研制開發(fā)了一系列電連接器和射頻同軸連接器.近年來隨著國家對外開放的不斷擴大，越來越多的民用電子儀器儀表需要和歐美產(chǎn)品對接，因此原來自行定制的標準逐步被淘汰，在引進相應的國際標準的基礎(chǔ)上正在形成我國的產(chǎn)品標準.

1 研究方法

1.1 建模

根據(jù)技術(shù)要求，結(jié)合產(chǎn)品的特點進行產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計，對結(jié)構(gòu)設(shè)計中的射頻傳輸線路能夠出現(xiàn)阻抗不連續(xù)的點進行分析，確定補償結(jié)構(gòu).結(jié)合電子設(shè)備與安裝架的安裝要求確定出需要補償?shù)妮S向尺寸，最終確定射頻傳輸接觸件的結(jié)構(gòu)尺寸.

1.2 三維電磁仿真優(yōu)化

在模型的基礎(chǔ)上進行三維電磁仿真優(yōu)化，采用ANSOFT HFSS軟件對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的射頻性能進行仿真優(yōu)化，并設(shè)置同軸接觸件介質(zhì)的介電常數(shù)、傳輸線上零件的材料屬性，對其進行仿真優(yōu)化，以保證同軸接觸件的阻抗匹配，同時在臺階突變和焊接電纜處采用錯位補償結(jié)構(gòu)實現(xiàn)阻抗的連續(xù)，最大程度地降低反射損耗.在產(chǎn)品按照設(shè)計要求完成加工后進行射頻性能的試驗，在工作頻率DC～18GHz的范圍內(nèi)測量.從安裝架的輸入接口到輸出接口，采用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行射頻傳輸線的電壓駐波比、插入損耗、相位一致性、相鄰射頻傳輸線之間的隔離度測量.

2 研究內(nèi)容

某項目采用模塊化設(shè)計，所有的射頻線路均采用直插式連接形式，連接器選用S6、S7系列，在S6、S7連接器中增加同軸接觸件，其主要指標如下： 工作頻率：0～18 GHz， 電壓駐波比：≤1.2， 插入損耗：≤0.3， 相位一致性：±5°， 振動條件下的相位一致性：±3°.

2.1 接觸件設(shè)計

圖1 方案一的接觸件設(shè)計

(1)方案一.如圖1所示，該結(jié)構(gòu)在插孔端設(shè)計了彈簧，避免了接觸件裝入連接器時由于連接器的軸向位置移動所造成的同軸傳輸?shù)淖杩共贿B續(xù)，但由于插針、插孔沒有設(shè)計彈性接觸，因此在振動的條件下會出現(xiàn)射頻泄漏，并且電纜選擇的是SFT-50-3半剛電纜，與接觸件焊接連接，從而在電纜固定的情況下會失去浮動的效果.

在實際試驗過程中，由于接觸件的接觸為無彈性接觸，因此在產(chǎn)品振動情況下出現(xiàn)了駐波突變，并且在振動0.5 h后電纜焊接處與接觸件分離，試驗失效.

圖2 方案二的接觸件設(shè)計

(2)方案二.如圖2所示，該結(jié)構(gòu)在插孔端設(shè)計了彈簧，避免了接觸件裝入連接器時由于連接器的軸向偏差移動所造成的同軸傳輸?shù)淖杩共贿B續(xù)，其插針端設(shè)計為開槽形式，與插孔彈性接觸，開槽結(jié)構(gòu)導致阻抗不連續(xù)所帶來的電壓駐波比增大，并且開槽結(jié)構(gòu)會出現(xiàn)射頻泄漏.在產(chǎn)品裝配后，由于插針開槽在插針、插孔對插時插入力非常大，而在接觸件沒有插合的情況下已經(jīng)壓縮了彈簧，造成中心接觸件無法接觸上，插合面不能貼緊，阻抗和插損均不能滿足要求，因此該結(jié)構(gòu)沒有進行振動條件下的試驗.

圖3 方案三的接觸件設(shè)計

(3)方案三.如圖3所示，該結(jié)構(gòu)在插孔端設(shè)計了彈簧，避免了接觸件裝入連接器時由于連接器的軸向位置移動所造成的同軸傳輸?shù)淖杩共贿B續(xù).將開槽設(shè)計在插孔端，在接觸件的最外層(即不在微波信號傳輸?shù)碾娐飞?，既保證了彈性可靠接觸，又避免了阻抗不連續(xù).接觸件配接 IW1801 軟電纜，能夠?qū)崿F(xiàn)在裝好電纜的情況下浮動，裝接方式采用焊接后螺母固定，避免了電纜在受力情況下的松動.該結(jié)構(gòu)焊接電纜的操作在完全可視的情況下進行，焊接的位置采用工具保證，且焊點的好壞可以直接觀察到.

實際裝配證明該結(jié)構(gòu)容易操作，尤其是在高頻段，一點點的裝配誤差都會造成駐波、插損、相位的較大變化，而裝配的狀態(tài)是否一致，該結(jié)構(gòu)均可以觀察到，試驗結(jié)果證明該結(jié)構(gòu)可滿足用戶指標要求.

2.2 機箱與托架鎖緊方式選擇

本次試驗中機箱與托架鎖緊方式分為A類(符合 GJB780)和B類(符合SJ20971)，在前兩次的振動試驗中均采用A類鎖緊，且托架后端無固定銷.由于模擬機箱的質(zhì)量較大，在振動的過程中機箱劇烈晃動，造成托架上的螺釘振動脫落，第一次采用 1.2 mm 厚的托架僅振動0.5 h試驗就失效.第二次采用3 mm厚的托架，振動了3.5 h，試驗仍然失效.分析原因為機箱與托架的固定方式不合理，造成振動過程中機箱與托架之間存在竄動，并且隨著振動時間的加長，竄動量越來越大，最終導致機箱與托架分離.第三次試驗采用B類鎖緊，并在托架后增加固定銷，保證機箱與托架之間的牢靠固定，在整個振動過程中無松動現(xiàn)象.

在選用了B 類鎖緊裝置后，不但解決了機箱與托架之間的鎖緊，而且由于助推扳手能夠起到杠桿作用，減小了推動機箱的力，因此在使用多個連接器的情況下依然能夠輕松推入.

由于本次模擬機箱的質(zhì)量為20 kg，而在SJ20971中明確規(guī)定了B類鎖緊裝置只適用最大為20 kg的夾持，因此在保證設(shè)計余量的情況下采用兩只鎖緊裝置，如圖4所示.

圖4 機箱與托架采用B類鎖緊方式實物圖

2.3 托架定位銷選擇

托架定位銷與機箱的配合有兩種形式：(1)柱銷與圓柱孔配合；(2)錐銷與圓柱孔配合.由于機械公差的存在兩種配合都是線接觸，區(qū)別在于圓柱銷與圓柱孔的配合是沿軸向的一條線，在徑向的位置不確定；而圓錐銷與圓柱孔的配合是沿圓周的一條線，位置唯一確定，如圖5、圖6所示.

考慮機箱的總質(zhì)量和振動的量級(隨機振動，功率譜密度為0.07，3個方向各 6 h)，最終選擇了圓錐銷與圓柱孔配合的結(jié)構(gòu).

圖5 圓柱銷與圓柱孔配合示意圖 圖6 圓錐銷與圓柱孔配合示意圖

2.4 機箱選擇

為避免其它結(jié)構(gòu)所造成的影響，盡可能真實地反映連接器的性能，機箱采用了一體加工.

經(jīng)過綜合分析后，重新設(shè)計、加工過的整套試驗夾具承受住了18 h的振動，實現(xiàn)了對連接器的指標整個過程的監(jiān)控.

2.5 試驗過程分析

(1)駐波變化.影響駐波的主要因素是阻抗不連續(xù).由于機箱、托架之間的固定牢靠，且接觸件采用了彈簧的浮動結(jié)構(gòu)，在機箱、托架鎖緊到位時接觸件最小壓縮了1.22 mm，在振動過程中不會出現(xiàn)接觸件插合面的分離，不存在阻抗的變化，因此駐波僅出現(xiàn)了輕微顫動，在 1.12 ～1.18 之間變化.

(2)插損的變化.影響插損的主要因素同樣是阻抗不連續(xù)，由于固定結(jié)構(gòu)的牢靠，不存在阻抗的變化，同樣插損也只是隨振動環(huán)境出現(xiàn)微小變化，插損在 10.2 ～10.8 dB之間變化，計算后接觸件的插損小于 0.3 dB.

(3)隔離度的測試方法.由于目前國內(nèi)沒有測量隔離度的方法，在本次試驗中咨詢了安捷倫，測試過程中一般設(shè)置中頻帶寬為100 Hz,功率為0 dB·mW，測得的接觸件隔離度為-90 dB.

為確定測試方法的真實性，又咨詢了相關(guān)廠家，得到了第2種方法：采用網(wǎng)絡(luò)分析儀作為信號發(fā)射源，頻譜儀作為接收，被測電纜接負載，測試結(jié)果與網(wǎng)絡(luò)分析儀測試相同，為-90 dB.

(4)相位漂移的原因.在振動條件下監(jiān)控相位時，發(fā)現(xiàn)相位的變化在±3°u33539X圍內(nèi)，滿足用戶要求，而隨著振動時間的加長相位變化的中值會偏移，如原來在 90±3°u20043X間變化，振動時間加長后慢慢在 95±3°u33539X范圍內(nèi)變化，這種現(xiàn)象稱之為相位漂移.在進行了仔細觀察和 進行了9 個接觸件試驗后總結(jié)了規(guī)律，在振動前 0.5 h范圍內(nèi)會產(chǎn)生相位漂移，之后相位穩(wěn)定在一個范圍內(nèi)變化，并且停止振動后相位不會變化.

通過試驗對所有的鎖緊結(jié)構(gòu)進行了分析，確定影響相位漂移的因素是機箱、托架、連接器、接觸件之間的8 個固定點，在鎖緊時這 8 個點不可能同時在最理想的位置上，因此存在著過定位或欠定位，在振動的過程中會隨著時間加長最終找到平衡位置.

3 結(jié) 論

試驗表明，直插式高低頻混裝連接器能夠達到較高的射頻指標：工作頻率：0～18 GHz， 壓駐波比：≤1.2， 入損耗：≤0.3， 位一致性：±5°， 動條件下的相位一致性：±3°.

直插式連接器的性能指標與機箱、托架、接觸件的固定結(jié)構(gòu)息息相關(guān)，僅僅靠連接器中接觸件的浮動固定不能滿足用戶的要求.

本次試驗中得到了隔離度的兩種測試方法，并確認了兩種測試方法得出的結(jié)果一致，這在射頻行業(yè)中首次被驗證.

參考文獻

[1] IEC 1141 射頻同軸連接器上限頻率ARINC600標準,MIL-DTL-83527B標準[S]，1992.

[2] 王超群.低損耗射頻同軸電連接器設(shè)計與開發(fā)[D].石家莊：華北電力學院碩士學位論文,2006.

[3] 李 軍.射頻同軸連接器的阻抗補償[J].北京電力高等?？茖W校學報,2009,(9)：57-61.