李亞南 宋德柱 顏二國

一種SSMP-J射頻同軸負(fù)載的設(shè)計及改進(jìn)

李亞南 宋德柱 顏二國

（貴州航天電器股份有限公司，貴陽 550009）

闡述了SSMP-J射頻同軸負(fù)載的設(shè)計過程，通過阻抗計算初步確定負(fù)載的基本結(jié)構(gòu)，采用仿真分析的方法進(jìn)行補償結(jié)構(gòu)優(yōu)化，理論上滿足了負(fù)載的電氣性能要求。負(fù)載調(diào)試過程中，通過對不同材料的分析驗證，并調(diào)整負(fù)載內(nèi)部補償結(jié)構(gòu)，使負(fù)載的機械結(jié)構(gòu)及電氣性能均達(dá)到了最優(yōu)。

射頻同軸負(fù)載；阻抗計算；補償結(jié)構(gòu)

1 引言

SSMP同軸負(fù)載具有SSMP的標(biāo)準(zhǔn)界面，能夠與SSMP對接端對接使用，可快速插拔，同時兼有SSMP射頻連接器的體積小、重量輕、使用頻率高的優(yōu)點，具有廣闊的應(yīng)用前景。本文闡述了SSMP-J射頻同軸負(fù)載的設(shè)計及開發(fā)過程，通過優(yōu)化內(nèi)部結(jié)構(gòu)，計算補償尺寸及使用仿真軟件優(yōu)化仿真，使產(chǎn)品具有較好的性能指標(biāo)。并且分析和總結(jié)了產(chǎn)品測試及調(diào)試階段產(chǎn)生的技術(shù)難點及解決方案。

2 同軸負(fù)載設(shè)計過程

2.1 設(shè)計原則

匹配電路中，當(dāng)阻抗為60Ω時電纜耐電壓最大，當(dāng)阻抗為30Ω時電路的傳輸功率最大，當(dāng)阻抗為75Ω時電路的損耗最小。在實際使用中，50Ω的匹配兼顧了耐壓、傳輸功率及損耗等優(yōu)勢，所以阻抗50Ω的匹配在射頻中最常用。75Ω的阻抗匹配因為損耗最小，所以多用于遠(yuǎn)距離傳輸及視頻信號傳輸。為使負(fù)載使用范圍更廣，本文論述的SSMP同軸負(fù)載采用50Ω匹配，內(nèi)部用50Ω電阻器將內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體連接。

為使SSMP同軸負(fù)載能夠與國內(nèi)外SSMP-K連接器順利對接，界面采用SSMP-J標(biāo)準(zhǔn)界面。

根據(jù)GJB 5246—2004，SSMP-J標(biāo)準(zhǔn)界面分為全限位和光孔兩種，全限位界面尺寸如圖1和表1所示，光孔界面尺寸如圖2和表2所示。全限位連接器較光孔連接器嚙合力和分離力大，連接更可靠。根據(jù)實際使用需求，選則全限位SSMP射頻同軸負(fù)載。

圖1 SSMP-J全限位界面尺寸

表1 SSMP-J全限位界面尺寸 mm

圖2 SSMP-J光孔界面尺寸廣告費

表2 SSMP-J光孔界面尺寸 mm

2.2 設(shè)計過程

下面詳細(xì)闡述了SSMP-J設(shè)計過程，并通過阻抗計算及模型仿真，使產(chǎn)品性能進(jìn)一步優(yōu)化，能夠較好地滿足客戶的使用需求。

2.2.1 主要性能指標(biāo)

電氣性能：特性阻抗：50Ω；工作頻段：K波段；頻率范圍：DC～26.5GHz；VSWR：1.3max。

機械性能：機械壽命≥100次。

近年來流行病學(xué)和遺傳學(xué)的研究顯示， 生物鐘節(jié)律是廣泛存在于生物體中重要的內(nèi)源性調(diào)節(jié)機制，其對糖、脂肪等代謝的調(diào)控是調(diào)節(jié)能量代謝的重要途徑，同時也使能量代謝變化呈現(xiàn)出重要的特征——節(jié)律性以來適應(yīng)生理功能的需要[11]。更重要的是，時鐘基因震蕩節(jié)律的異常與糖代謝以及心血管疾病密切相關(guān)[12-13]。有研究發(fā)現(xiàn)，生物鐘晝夜節(jié)律紊亂可導(dǎo)致糖代謝障礙、胰島素抵抗和代謝綜合征等[14],同時生物鐘節(jié)律紊亂也可能是糖尿病產(chǎn)生和進(jìn)展的重要促發(fā)因素[15]。如前所述，積極探索糖尿病對心肌時鐘基因Bmal1/Per2的影響及具體形式可能為防治糖尿病心肌病提供新的治療方向。

2.2.2 設(shè)計思路

信號在同軸連接器中傳輸時，遇到阻抗不匹配（阻抗偏離特性阻抗）的地方會引起反射，從而使電壓駐波比增大。要設(shè)計出駐波較小的同軸連接器，必須保證連接器在軸向上的阻抗均勻一致。

射頻同軸連接器的特性阻抗是由內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體的直徑以及絕緣支撐介質(zhì)的介電常數(shù)決定的，之間的關(guān)系式見式（1）：

式中：0——特性阻抗，Ω；ε——相對介電常數(shù)，空氣=1，聚四氟乙烯=2.02；——外導(dǎo)體內(nèi)徑，mm；——內(nèi)導(dǎo)體外徑，mm。

根據(jù)SSMP-J全限位界面要求及阻抗50Ω的阻抗匹配要求，初步設(shè)計負(fù)載如圖3所示。

圖3 SSMP-J負(fù)載設(shè)計結(jié)構(gòu)

根據(jù)式（1），分段設(shè)計負(fù)載的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。SSMP-J標(biāo)準(zhǔn)界面端與標(biāo)準(zhǔn)SSMP-K對接后，介質(zhì)為空氣，ε為1，內(nèi)導(dǎo)體外徑及外導(dǎo)體內(nèi)徑均為標(biāo)準(zhǔn)值，由式（1）計算得阻抗0≈50Ω。內(nèi)導(dǎo)體通過介質(zhì)體聚四氟乙烯固定，聚四氟乙烯的相對介電常數(shù)ε為2.02，要使阻抗0≈50Ω，根據(jù)式（1）確定此段內(nèi)導(dǎo)體外徑及外導(dǎo)體內(nèi)徑。負(fù)載內(nèi)部采用50Ω的電阻器連通內(nèi)導(dǎo)體與外導(dǎo)體，并采用空氣介質(zhì)以提高負(fù)載的電壓駐波比。為確保負(fù)載內(nèi)部50Ω的阻抗，仍需根據(jù)式（1）確定空氣介質(zhì)段的內(nèi)導(dǎo)體外徑及外導(dǎo)體內(nèi)徑。為使負(fù)載內(nèi)部每段阻抗達(dá)到50Ω，外導(dǎo)體的內(nèi)徑及內(nèi)導(dǎo)體的外徑尺寸均發(fā)生突變。根據(jù)相關(guān)補償理論，在尺寸突變處會產(chǎn)生不連續(xù)電容，需要一個電感補償，消除不連續(xù)電容產(chǎn)生的反射。電感的產(chǎn)生需要一個高阻抗來實現(xiàn)，因此在負(fù)載內(nèi)部尺寸突變處均需要一個高阻抗補償，避免突變產(chǎn)生嚴(yán)重的反射，影響負(fù)載的電氣性能。因補償尺寸的計算較為繁瑣，選擇通過軟件優(yōu)化仿真確定。

2.2.3 仿真分析

根據(jù)負(fù)載的初步結(jié)構(gòu)建立仿真模型。補償處尺寸嚴(yán)重影響了負(fù)載的電氣性能，通過不斷調(diào)整仿真模型補償處外導(dǎo)體的內(nèi)徑和長度以及內(nèi)導(dǎo)體的外徑和長度，得到一個合適的高阻抗，實現(xiàn)補償最優(yōu)化，此時負(fù)載電氣性能達(dá)到了理論上的最優(yōu)。

通過不斷調(diào)整上述參數(shù)，得出仿真結(jié)果如圖4所示：在頻率DC～26.5GHz范圍內(nèi)，實現(xiàn)阻抗補償最優(yōu)，電壓駐波比最小，在DC～26.5GHz范圍內(nèi)，理論最大值為1.07，理論上能夠滿足DC～26.5GHz，VSWR≤1.3的使用要求。

圖4 電壓駐波比仿真結(jié)果

3 調(diào)試與改進(jìn)

由于該負(fù)載使用頻率較高，且零件加工尺寸及組裝后與仿真結(jié)果存在一定的差異，仿真結(jié)果并不能直接說明產(chǎn)品的實際性能，在產(chǎn)品正式投產(chǎn)前驗證、調(diào)試，并改善，才能夠使產(chǎn)品達(dá)到理想的效果。

該負(fù)載在預(yù)測時發(fā)現(xiàn)兩個問題點：產(chǎn)品駐波不穩(wěn)定，信號時斷時續(xù)；駐波超差。

經(jīng)過拆分連接器，并分析連接器結(jié)構(gòu)，內(nèi)導(dǎo)體與電阻器與簧片相連組成中心接觸件來傳遞電磁波。內(nèi)導(dǎo)體與電阻器連接端、簧片與電阻器連接器均為簧片開槽結(jié)構(gòu)，材料均為錫青銅，且電阻器與內(nèi)導(dǎo)體、簧片為過度配合，當(dāng)三者配合間隙比較大時，駐波不穩(wěn)定，信號時斷時續(xù)。鑒于此，對內(nèi)導(dǎo)體及簧片口部進(jìn)行縮口處理，縮口后電阻器與內(nèi)導(dǎo)體、簧片均有一定的分離力?？s口后，信號時斷時續(xù)問題有所改善。但是由于產(chǎn)品尺寸很小，且使用錫青銅材料，縮口處插拔幾次基本就沒分離力了。鈹青銅較錫青銅有更好的彈性和強度，且經(jīng)過時效處理后可以獲得長期優(yōu)良的彈性特征。將內(nèi)導(dǎo)體與簧片的材料更換為鈹青銅，縮口尺寸與原來相同，縮口后進(jìn)行時效處理，內(nèi)導(dǎo)體與簧片縮口處彈性好，與電阻器連接穩(wěn)定，駐波穩(wěn)定。

駐波測試時，駐波超差，仿真結(jié)果理論值與實際值差別較大。SSMP連接器尺寸較小，對加工精度要求比較高，加工尺寸超差也會嚴(yán)重影響產(chǎn)品的駐波值。經(jīng)過測試產(chǎn)品零件尺寸，發(fā)現(xiàn)外導(dǎo)體內(nèi)徑尺寸偏小，阻抗不能滿足50Ω，嚴(yán)重影響了產(chǎn)品的性能。重新生產(chǎn)零件進(jìn)行驗證，此次零件尺寸加工合格，組裝后發(fā)現(xiàn)，駐波在1.4～1.5之間，仍然不能滿足DC～26.5GHz，電壓駐波比≤1.3的使用要求。之后從產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)補償入手，在負(fù)載空氣段中嘗試增加聚四氟乙烯介質(zhì)墊片的方法調(diào)節(jié)產(chǎn)品的駐波。

墊片的大小直接影響了內(nèi)部阻抗大小，進(jìn)而影響了負(fù)載駐波的大小。用不同規(guī)格的墊片調(diào)試負(fù)載駐波，在DC～26.5GHz頻率范圍內(nèi)，對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，選定最優(yōu)規(guī)格的墊片，使負(fù)載駐波最小，且能夠滿足使用要求：DC～26.5GHz，VSWR≤1.3。

經(jīng)過調(diào)試，對負(fù)載的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，內(nèi)導(dǎo)體與簧片材料換成鈹青銅并縮口時效，在負(fù)載空腔中增加介質(zhì)墊片，負(fù)載的性能穩(wěn)定且滿足使用要求。

組裝完成后的外形圖如圖5所示。實測負(fù)載滿足DC～26.5GHz，VSWR≤1.3，且在DC～24GHz頻率范圍內(nèi)駐波小于1.15，負(fù)載性能優(yōu)良，結(jié)構(gòu)可靠，能夠滿足用戶的使用要求。

圖5 負(fù)載外觀圖

4 結(jié)束語

本文介紹了SSMP-J射頻同軸負(fù)載的設(shè)計過程，總結(jié)了調(diào)試過程中遇到的技術(shù)難點及解決辦法，并改進(jìn)了負(fù)載的結(jié)構(gòu)。由實際測試結(jié)果可以看出，該SSMP同軸負(fù)載使用頻率能夠達(dá)到26.5GHz。

1 馮良平. 射頻同軸連接器設(shè)計要點[J]. 國外電子測量技術(shù)，2005，24(11)：39～44

2 GJB 5246—2004射頻連接器界面[S].

3 石之禮.高頻電纜組件的補償優(yōu)化研究[J].中國傳媒大學(xué)學(xué)報自然科學(xué)版，2006，13(1)：71～73

Design and Improvement of SSMP-J RF Coaxial Load

Li Yanan Song Dezhu Yan Erguo

(Guizhou Space Appliance Co., Ltd., Guiyang 550009)

This article introduces the design process of SSMP-J RF coaxial load, determines the preliminary structure of the load through impedance calculation, optimizes the compensation structure through simulation analysis, and satisfies the electrical properties of the load in theory. In the test and debug phase of the load, different materials are analyzed and verified, and the compensation structure of the load is adjusted, to achieve the maximum mechanical structure and the electrical properties of the load.

RF coaxial load；impedance calculation；compensation structure

李亞南（1988），工程師，光學(xué)工程專業(yè)；研究方向：射頻元器件產(chǎn)品的研發(fā)。

2018-04-02