真 瑩

(上海雷迪埃電子有限公司，上海市，200072)

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研究與設(shè)計(jì)

具有軸向大容差的射頻同軸耦合連接器的設(shè)計(jì)

真 瑩

(上海雷迪埃電子有限公司，上海市，200072)

本文描述了一種具有軸向+/-4mm大容差N型射頻同軸耦合連接器的設(shè)計(jì)。通過(guò)三維電磁場(chǎng)仿真，確定了該設(shè)計(jì)方法的可行性，以及連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)和尺寸，達(dá)到較好的射頻性能要求，并制作了樣品進(jìn)行測(cè)試。結(jié)果表明，一對(duì)連接器在DC-4GHz頻帶內(nèi)具有駐波低、插入損耗小、軸向容差大的特點(diǎn)，并且在容差狀態(tài)下有良好的三階互調(diào)性能。

射頻同軸連接器；耦合；軸向容差；射頻仿真；N型

1 引言

隨著4G通信技術(shù)的發(fā)展，小型化通信基站需要工作在1.5GHz～3.5GHz頻率范圍。一方面要求射頻同軸連接器的尺寸越來(lái)越小。另一方面，基站到天線的連接若采用普通的螺紋擰緊式同軸連接器，操作不方便，且效率低；若采用常規(guī)的快插式連接器，容差和互調(diào)都不理想。為了解決這一問(wèn)題，需要研發(fā)新的射頻連接方式。根據(jù)某客戶的需求，筆者從2014年開(kāi)始從事研發(fā)該種耦合連接器的可行性工作，并于2015年初制作了樣品，測(cè)試結(jié)果確認(rèn)了設(shè)計(jì)思想。

2 設(shè)計(jì)原理

2.1 單個(gè)同軸連接器的設(shè)計(jì)基本原理

眾所周知，同軸連接器實(shí)際上是基于同軸線來(lái)設(shè)計(jì)的。其基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。傳輸線特征阻抗的設(shè)計(jì)，截面特性阻抗近似公式為：

式中，Z0-理想同軸線的特征阻抗，單位Ω；D-外導(dǎo)體內(nèi)經(jīng)，d-內(nèi)導(dǎo)體外徑；εr-同軸線內(nèi)填充介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。

同軸線中電磁場(chǎng)的分布如圖2所示。

圖1 同軸線示意圖

圖2 同軸線電磁場(chǎng)分布示意圖

在通常情況下，單個(gè)連接器按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)界面進(jìn)行設(shè)計(jì)，界面之后的各傳輸段的特性阻抗盡量設(shè)計(jì)成50ohm，盡可能保持傳輸線上一致的特征阻抗，以減少阻抗不連續(xù)性。

2.2 耦合同軸連接器對(duì)的設(shè)計(jì)原理

將一對(duì)連接器的外導(dǎo)體和中心針的直徑設(shè)計(jì)得略有差別，使得它們能夠互插在一起，且能軸向移動(dòng)?；ゲ宓耐鈱?dǎo)體，兩者之間有空隙，空隙由薄膜介質(zhì)填充，也可以是空氣；互插的中心針，兩者之間有空隙，空隙由薄膜介質(zhì)填充，也可以是空氣，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

射頻耦合連接器的設(shè)計(jì)借助于電磁場(chǎng)理論和射頻傳輸線原理，根據(jù)同軸線內(nèi)電磁場(chǎng)的分布，兩個(gè)中心導(dǎo)體套在一起會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電容。只要電容量足夠大，就可將大于某頻率的信號(hào)耦合過(guò)去。但是，耦合長(zhǎng)度，也就是互插相疊部分的長(zhǎng)度，在理論上對(duì)應(yīng)于中心頻率的1/4波長(zhǎng)。這就限制了頻帶。同樣兩個(gè)外導(dǎo)體套在一起也相當(dāng)于一個(gè)電容，它的耦合長(zhǎng)度理論上也對(duì)應(yīng)于中心頻率的1/4波長(zhǎng)，同樣只要電容量足夠大，就可在對(duì)應(yīng)耦合長(zhǎng)度的1/4波長(zhǎng)所對(duì)應(yīng)的頻率的一定帶寬內(nèi)，將兩段同軸線的外導(dǎo)體連為一體，于是改變互插相疊部分的長(zhǎng)度，就改變了對(duì)應(yīng)的1/4波長(zhǎng)，也就改變了工作頻率。

從電路角度直觀地來(lái)看，其等效電路可以參照?qǐng)D4所示。C1為兩個(gè)中心針插入處外徑的階梯變化引起的電容。由于外徑變化很小，所以，C1很小，對(duì)我們?cè)O(shè)計(jì)的工作頻段的射頻影響較小。C3、 L3分別為兩個(gè)中心針套在一起引入的電容和電感，構(gòu)成串聯(lián)LC電路，在耦合長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的1/4λ時(shí)串聯(lián)諧振，射頻信號(hào)傳輸通過(guò)；C2、 L2分別為兩個(gè)外腔體互插引入的對(duì)地電容和電感，構(gòu)成并聯(lián)LC電路， 在耦合長(zhǎng)度對(duì)應(yīng)的1/4λ時(shí)并聯(lián)諧振，使射頻信號(hào)不會(huì)泄漏到地。設(shè)計(jì)讓兩者的諧振頻率幾乎相同，因而在工作頻段有很好的傳輸特性。偏離1/4λ帶內(nèi)射頻性能變差。1/4λ由耦合長(zhǎng)度決定。

圖3 一對(duì)非接觸射頻耦合連接器結(jié)構(gòu)示意圖

圖4 一對(duì)非接觸射頻耦合連接器等效電路圖

若空隙采用介質(zhì)材料，這種連接器還有一個(gè)重要的特點(diǎn)就是隔斷直流和低頻信號(hào)。而空氣介質(zhì)很難避免實(shí)際連接器兩個(gè)中心針內(nèi)外壁不相碰，所以不能很好地隔直流。

2.3 耦合連接器的建模仿真設(shè)計(jì)

下面著手設(shè)計(jì)N型耦合連接器對(duì)：它們互插在一起，且能在軸向移動(dòng)，變化耦合長(zhǎng)度，保證有軸向容差。一對(duì)插合的連接器比單個(gè)連接器帶來(lái)了更大的阻抗不連續(xù)性，特別是在不同的軸向容差下，不同的狀態(tài)對(duì)應(yīng)不同的阻抗。我們采用微波3D電磁場(chǎng)仿真軟件CST，建立三維模型，對(duì)不同容差進(jìn)行電磁場(chǎng)仿真和設(shè)計(jì)。3D模型如圖5所示。

仿真設(shè)計(jì)過(guò)程首先將兩個(gè)N頭分別各自尺寸預(yù)設(shè)計(jì)，即中心針各處外經(jīng)和外導(dǎo)體內(nèi)經(jīng)的直徑和長(zhǎng)度，以及臺(tái)階、倒刺變換位置和大小的設(shè)計(jì)，還有絕緣子長(zhǎng)度、支撐絕緣子直徑尺寸的設(shè)計(jì)、介電常數(shù)的選取等。對(duì)不連續(xù)處先作一定補(bǔ)償，讓其本身阻抗匹配，然后將兩個(gè)N型連接器裝配在一起，進(jìn)行三維結(jié)構(gòu)建模，選取耦合介質(zhì)，設(shè)計(jì)初始耦合長(zhǎng)度、耦合間隙，再代入前面設(shè)計(jì)的初始值，設(shè)置變量，改變參數(shù)，對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體仿真、調(diào)整、優(yōu)化內(nèi)部零件結(jié)構(gòu)和尺寸，保證不同的軸向容差狀態(tài)下的電性能。仿真模型除了考慮電性能指標(biāo)，還必須考慮可實(shí)現(xiàn)性，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)要特別注意耦合公差，既能滿足射頻性能，又可實(shí)際加工。

選取三種不同介質(zhì)，對(duì)如下四種方案在容差為

2mm范圍內(nèi)即耦合長(zhǎng)度為C和C+2進(jìn)行了電磁場(chǎng)仿真。

方案1：耦合介質(zhì)是空氣，介電常數(shù)近似為1，優(yōu)點(diǎn)是零件少，缺點(diǎn)是尺寸較長(zhǎng)。不能滿足小型化的要求，故實(shí)際中我們不采用。

方案2：耦合介質(zhì)是PVC，介電常數(shù)較高，優(yōu)點(diǎn)是耦合長(zhǎng)度較短，缺點(diǎn)是PVC溫度特性不好。故實(shí)際中樣品中我們也沒(méi)有采用。

方案3：耦合介質(zhì)是PTFE，介電常數(shù)為2.08，耦合長(zhǎng)度：拉伸狀態(tài)為14.89mm，壓縮狀態(tài)為16.89mm。優(yōu)點(diǎn)是溫度特性好，長(zhǎng)度適中，缺點(diǎn)是比空氣介質(zhì)增加加工難度。拉伸狀態(tài)對(duì)應(yīng)容差2mm狀態(tài)，壓縮狀態(tài)對(duì)應(yīng)容差0mm狀態(tài)。

方案4： 耦合介質(zhì)是PTFE， 介電常數(shù)為2.08， 耦合長(zhǎng)度比方案3長(zhǎng)2mm耦合長(zhǎng)度：拉伸狀態(tài)為16.89mm，壓縮狀態(tài)為18.89mm。在頻帶低端駐波比性能比方案3好。但長(zhǎng)度增加了。

方案3和方案4的射頻回波仿真曲線如圖6a～圖7b所示。

圖5 N型+N型一對(duì)耦合連接器3D仿真模型

a 方案3介質(zhì)為PTFE容差2mm狀態(tài)

b 方案3介質(zhì)為PTFE容差0mm狀態(tài)圖6 方案3介質(zhì)為PTFE N型 + N型一對(duì)耦合連接器拉伸與壓縮時(shí)的仿真回波曲線

a 方案4介質(zhì)為PTFE容差2mm狀態(tài)

b 方案4介質(zhì)為PTFE容差0mm狀態(tài)圖7 方案4 PTFE介質(zhì) N型 + N型一對(duì)耦合連接器拉伸與壓縮時(shí)的仿真回波曲線

經(jīng)過(guò)反復(fù)優(yōu)化，最終仿真結(jié)果在0容差和2mm容差下1.5～4GHz頻帶內(nèi)回波都很好，特別是在2～3GHz頻帶。方案3和方案4也驗(yàn)證了耦合長(zhǎng)度的變化對(duì)帶內(nèi) 駐波比及中心頻率移動(dòng)的影響，不是非常敏感，對(duì)實(shí)際加工有好處。

3 實(shí)物及測(cè)試結(jié)果

3.1 實(shí)物照片

a N型 + N型一對(duì)耦合連接器互插在一起時(shí)

b N型 + N型一對(duì)耦合連接器分開(kāi)時(shí)圖8 所設(shè)計(jì)的一對(duì)N型耦合連接器元件實(shí)物

3.2 樣品測(cè)試結(jié)果

實(shí)際制作了N型 + N型耦合連接器對(duì)，介質(zhì)采用PTFE，樣品S參數(shù)測(cè)試結(jié)果與仿真結(jié)果基本吻合，S參數(shù)仿真只做了0mm和2mm，即±1mm容差，實(shí)際測(cè)試樣品在拉開(kāi)距離L：0.5～8.5mm， 即±4mm容差下，在KEYSIGHT N5227A 網(wǎng)絡(luò)分析儀上完成，用雙端口測(cè)得一對(duì)耦合連接器的VSWR和插損。PIM3也在±4mm容差下測(cè)試，信號(hào)2x43dBm@1800MHz，在SUMMITEK無(wú)源互調(diào)測(cè)試儀上完成。實(shí)際樣品在拉開(kāi)距離L：0.5～8.5mm性能良好。

VNA測(cè)試階梯(mm)： L: 0.5, 1.5, 2.5, 3.5, 4.5, 5.5, 6.5, 7.5, 8.5；

PIM3 測(cè)試階梯(mm)： L: 0.5, 1.5, 2.5, 5.5, 8.5。

VNA測(cè)試曲線說(shuō)明: S21扣除了測(cè)試轉(zhuǎn)接頭的附加插損；S12保留了測(cè)試轉(zhuǎn)接頭的附加插損。Mark1，Mark7, Mark8 分別為1GHz，3.5GHz和4GHz，其它Mark指示頻率如圖所示。

S參數(shù)：VSWR和插損測(cè)試曲線如下：9a～9h。

a 拉開(kāi)距離L=0.5mm

b 拉開(kāi)距離L=1.5mm

c 拉開(kāi)距離L=2.5mm

d 拉開(kāi)距離L=3.5mm

e 拉開(kāi)距離L=4.5mm

f 拉開(kāi)距離L=5.5mm

g 拉開(kāi)距離L=6.5mm

h 拉開(kāi)距離L=7.5mm

i 拉開(kāi)距離L=8.5mm圖9 VSWR和插損測(cè)試曲線

PIM3測(cè)試曲線和數(shù)據(jù)如圖10：

表1 PIM3測(cè)試曲線結(jié)果的填入值

圖10 拉開(kāi)距離 L=2.5mm狀態(tài)的PIM3測(cè)試曲線

4 結(jié)論

設(shè)計(jì)結(jié)果表明，用該種方法設(shè)計(jì)的連接器在DC-4GHz射頻范圍內(nèi)，其性能良好，特別是軸向容差大，有實(shí)用價(jià)值，可應(yīng)用于通訊領(lǐng)域的配套產(chǎn)品。

[1] N界面定義標(biāo)準(zhǔn).

[2] 馮良平等，射頻同軸連接器設(shè)計(jì)要點(diǎn)[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù)，2005.(11).

Design of RF Coaxial Coupling Connector with a Large Coaxial Misalignment

ZHEN Ying

(Shanghai Radiall Electronics Co., Ltd. ，Shanghai，200072)

This paper describes the design of N type RF coupling connector with a large coaxial misalignment of ±4mm，and determines the feasibility of this design solution and this type connector's internal structure and dimensions by 3D electromagnetic field simulation for RF performance achievement. The test results show that a pair of connectors has low VSWR and low insertion loss in DC-4GHz frequency band and good PIM3 in misalignment states.

RF coaxial connector，coupling, coaxial misalignment, RF simulation, N type

2015-09-12

10.3969/j.issn.1000-6133.2015.06.001

TN784

A

1000-6133(2015)06-0003-07