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[问答] 分米波法兰连接器的结构设计特点及分析介绍
58 连接器 eia
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1、引言
分米波兰连接器是区别于螺纹式连接、卡口式连接和推拉式连接机构的具有法兰盘连接机构的射频同轴连接器。早在六十年代,美国电子工业协会(EIA)就制订了关于法兰连接器与半空气介质同轴电缆的RS-258(50Ω)系列标准。确定了其界面结构形式,通常称为EIA法兰连接器系列。到七十年代,国际电工委员会(IEC)制订了IEC339-1、IEC339-2通用硬同轴传输线及其法兰连接器总规范和详细规范,作为国际通用标准在全世界推广。其中不仅包括了EIA法兰连接器系列的全部界面结构,而且在此基础上扩展补充了新的界面结构内容。分米波法兰连接器是指主要用在分米波电视发射机、差转机的天馈系统,连接主馈电缆或分缆电缆(通常是半空气介质皱纹导体同轴电缆)的法兰连接器,该连接器也常应用在微波通讯的高频回路中。由于它的法兰盘结构与硬同轴传输线用法兰连接器的接口界面尺寸相同,因而亦可在分米波电视发射机、差转机的馈线系统中作为软硬馈线之间的转接。
根据分米波电视发射机、差转机整机及其天馈系统的要求,分米波法兰连接器必须具备功率容量大、电压驻波比低,与半空气介质皱纹导体同轴电缆连接可靠且具有充气密封结构等特点。不同功率等级的整机需要的法兰连接器规格也不同。这些连接器与整机的使用功率等级、配接馈线的规格等对应关系如表1。
表1

这些系列连接器在其结构设计上,如连接机构、界面、内导体系统、传输腔体、绝缘支撑、过渡设计、充气密封和电缆夹紧装置等结构均具有独自的特点,正是这些特点,奠定了其低电压驻波比的基础,满足了分米波电视发射机、差转机整机对连接器各项性能的要求。
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2019-6-20 08:10:33   评论 分享淘帖 邀请回答
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2、界面和连接机构
分米波法兰连接器的界面和连接法兰盘的结构尺寸符合RS-258EIA标准和IEC339-2标准。其连接结构如图1。

1. 插孔2. 法兰盘3. 定位销4. 双向插针5. 绝缘支撑
图1、分米波法兰连接器的界面和连接机构
由图1可见,该连接结构是由一个双向内连接体和两个外导体法兰盘组成。它不分插头还是插座。连接时,两端为同一种法兰连接器,中间由一个双向内连接体把两端的插孔连接起来构成内导体系统。双向内连接体是一个两端为弹性插针中间装有一绝缘支撑的组件。如图1中4、5所示。一个法兰连接器插上双向内连接体(又称卡塞)可视为阳性插头,拔去即可视为阴性插孔连接器。这种结构既满足了连接方便可靠的要求,又达到较其它结构通用件多,整件零件少,节约材料降低生产成本的目的。
双向内连接体既起到对内导体系统连成一体的作用,同时也起到使两连接器的外导体连成一体保证其同轴的作用。法兰盘上设有定位销钉,安装时帮助迅速定位对接,又进一步保证两连接器内外导体的同轴度。
射频同轴连接器的内导体系统通常由插针和插孔组成,如图2。通常在插孔上开两槽或多槽形成弹性插孔。材料选用锡磷青铜或铍青铜,插针为实体针状。而分米波法兰连接器组成内导体系统的插针和插孔则与上相反,插孔不开槽,而插针设计成具有弹性结构的形式,开四槽或多槽,如图1中1、4所示。这种结构仍保证了可靠的电接触,而避免了因插孔开槽引起内导体外径的变化导致的特性阻抗的变化,从而降低了电压驻波比(1)。
这种界面和连接结构要求双向内连接体必须做完全对称设计,并且和常规设计一样要控制针孔配合间隙。

图2、一般射频连接器的内导体系统
2019-6-20 14:11:48 评论

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3、传输腔体
分米波法兰连接器的传输腔体的结构如图3所示。由图3可见,该结构是一个除绝缘支撑外全由空气充满的结构。为了固定绝缘支撑,设置了一个金属衬套,衬套和外导体上开的孔是为了满足充气的需要。这种结构避免了引入其它介质导致对特性阻抗的影响(2)。同时提供一个比较稳定和准确的标称阻抗段,作为整个连接器标称特性阻抗的基础,有利于降低电压驻波比。

1. 外导体2. 内导体3. 绝缘支撑4. 衬套5. 充气孔
图3、传输腔体结构
金属衬套的设置,充当了外导体的一部分,其内径的选择要有利于与配接电缆的过渡设计,既要起到固定绝缘支撑的作用,又要避免使传输腔体产生较大阶跃。总之要有利于保持特性阻抗的均匀性和连续性,这样也就有利于降低电压驻波比。衬套上的通气孔,以满足充气要求为宜,不宜多和大。
传输腔体处于界面和电缆夹紧装置之间,内导体系统前有双向内连接体的绝缘支撑,后有电缆对内导体的支撑固定,因而再单设一个绝缘支撑则可满足支撑内导体的功能。绝缘支撑到界面之间空气段的距离越接近外导体内径的两倍越好。不宜引起高次模(3)。
2019-6-20 14:12:01 评论

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4 、绝缘支撑和过渡设计
分米波法兰连接器的绝缘支撑(图3中之3)结构设计通常采用共面补偿的结构。对于共面补偿结构具体尺寸的确定,其它文章多次给出,这里不再述之。
过渡设计这里是指由连接器到配接电缆之间的过渡结构设计。分米波法兰连接器配接的馈线多为半空气介质皱纹导体的射频同轴电缆,如图4中b、c所示。由连接器到同轴电缆,要实现由空气介质过渡到有螺旋支撑的半空气介质,内导体由表面光滑的内导体过渡到表面粗糙度较差的导体或皱纹导体,外导体由光滑的内表面过渡到皱纹外导体,这些状况必然要引起不连续电容,造成反射。对此必须进行补偿设计。其方法通常是在接近配接电缆处设置一个用绝缘材料制成的补偿环,使得该处相对介电常数εr数值介于空气和半空气介质之间,起到“缓冲”过渡作用。若连接器的外导体内径与电缆的外导体内径相差悬殊,则要考虑应用另一种补偿方法,即合理选择金属衬套的内径或采用阶梯过渡的补偿方法,达到降低电压驻波比的目的。

图4a、实芯聚乙烯绝缘同轴电缆

图4b、较小功率半空气介质皱纹导体同轴电缆

1. 内导体2. 绝缘体3. 外导体4. 护套
图4c、较大功率半空气介质皱纹导体同轴电缆
2019-6-20 14:12:14 评论

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5、配接电缆结构
连接器的基本功能之一是起到连接电缆的作用。由于半空气介质皱纹导体同轴电缆(图4中b、c)的结构与通常的实芯聚乙烯射频同轴电缆(图4中a)的结构不同,因而法兰连接器的电缆夹紧装置的结构设计也与常规不同。必须适应半空气介质皱纹导体的特点。结构设计的指导思想是:1)可靠的电接触;2)阻抗匹配;3)足够的机械连接强度,具有一定的抗拉拔、抗扭转的能力;4)密封、防水;5)安装方便,成本低等。目前分米波法兰连接器采用的配接电缆的结构如图5所示。

图5a图5b
a.1 壳体2.螺套3.护线套4.电缆夹5.压环6.密封圈7.垫圈
b.1 壳体2.连接螺栓3.衬套4.补偿环5.密封圈6.螺套7.注胶孔
图5、电缆夹紧装置的结构
图5中a图的结构是国内L27、L36、L52等米波段大功率同轴连接器常用的结构,有些资料已介绍,这里不再多述。b图是目前国内外常采用的结构。由图可见,该结构利用皱纹导体本身螺旋形皱纹的特点,内外导体都采用了带有梯形螺纹的螺套可与电缆内外导体紧密配合,增大了连接的机械强度。把电缆的外导体在螺套端部翻边,通过螺纹或法兰螺栓使连接器衬套和电缆外导体紧密相连,形成可靠电接触。为了保证密封,防止连接器与电缆配接处沿外导体漏气和防止水分和潮气沿电缆进入连接器内部,在螺套的梯形螺纹上设置便于灌注密封胶的注胶孔。通过注射密封胶使电缆外导体与螺套结成一密封整体。
2019-6-20 14:12:21 评论

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6、充气密封
充气密封结构是分米波法兰连接器所特有的结构。它是为了满足广播电视发射机、差转机的天馈系统的电缆需要充气而设置的。充入干燥空气或氮气是为了防止潮气或有害气体进入天馈系统的馈线内部,从而达到提高天馈系统电气性能和延长使用寿命的目的。充气结构目前有以下三种型式,如图6所示。

a.充气式b.充气嘴式 c.气阀式
图6、充气结构
充气孔式和充气嘴式两种结构,充完气后需要加盖螺帽靠密封圈进行密封。气阀式结构与自行车轮胎充气的气门阀结构类同,只进不出,防止了充气时瞬间漏气。国外多用充气孔式,国内充气孔和充气嘴式两者均用,气阀式少见。
密封结构根据连接器可能漏气通道的结构形式的不同采用不同的密封形式。通常采用O形环、密封圈、灌注密封胶和附加热塑套等。如在绝缘支撑与内外导体之间通常采用O形环,在配接电缆处采用灌注密封胶,加O 形密封圈和附加热塑套等。O形密封圈和密封垫圈通常选用耐热性能好,防腐性能强而无污染的硅橡胶制成。灌注密封胶是专业厂生产的特制的具有良好的耐环境性能的密封胶。采用这些密封措施后,通常均能满足密封使用要求。
2019-6-20 14:12:29 评论

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7、结束语
以上提及的结构设计特点及分析是主要针对配接半空气介质的皱纹导体同轴电缆的分米波法兰连接器而谈的。这些不同的结构在进行某种型号连接器的结构设计时,要根据整体结构需要而灵活运用,并注意标准化、增加通用件、降低成本。对于转接器的结构设计不一定都适用,还要考虑更多的因素,这里不再多述。
通过几年来的结构设计实践,按照以上结构设计的方法做指导,设计出的各系列产品均满足了整机需要,达到了预期的设计目的。
作者:李明德
参考文献
[1] T.E.Mackenzie and A.E.“Sanderson Some Fundamental Design Principles for the Development of Precision Coaxial Standards and Components”IEEE Trans Vol. MTT-14 No.1 1966.1
[2] 李明德“降低LQ型射频连接器电压驻波比的研究”《连接器与开关首届年会论文集》1990P39~40
[3] “Higher Modes in lnsulating Beads”Microwave Journal March-1990
[4]General Purpose rigid coaxial tuansmission lines and their associaced flange Conneetors part 2:Detail specifjcations publication 339-2
[5]EIA标准RS-258 1962.3
2019-6-20 14:12:33 评论

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