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[问答] 如何优化现代射频同轴连接器技术?
64 射频 连接器
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射频同轴连接器是微波领域中重要的射频传输元件,因其频带宽、连接方便可靠、性能优越、成本低廉,在微波通信设备、仪器仪表及武器系统中得到广泛应用。近几年来随着现代通信技术的飞速发展,整机设备对射频同轴连接器的技术要求越来越高,宽频带、低驻波、小型化、多功能、高可靠、快速连接等等,新的连接器品种应运而生、层出不穷,这也对连接器产品的设计提出了更高的要求。

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2019-8-16 06:51:46   评论 分享淘帖 邀请回答
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射频同轴连接器的设计优化包括对连接器多方面功能及价值的分析改进,以达到质优、价廉,并且缩短试制周期。优化技术适用于射频同轴连接器的结构设计、尺寸精度的确定、性能参数的提升等方面。通过优化,寻求和确定最佳参数,保证连接器使用功能和可靠性要求。随着微波技术的发展,整机系统要求连接器具有更多的附加功能,如滤波(隔直、防雷等)、整流、衰减等;另一方面整机系统信号频率在不断提高,对信号传输部分的损耗和电压驻波比也有了更高的要求。因此电性能的提升逐渐成为射频同轴连接器设计优化工作的重点和难点。
随着计算机技术的飞速发展,仿真技术也步入了一个新的时代,原来只有中、小型计算机或专业工作站上才能运行的仿真软件现在也可以在微机上用了,这样就给仿真技术的普及创造了有利条件。另一方面,仿真软件在不断过发展完善,新的软件层出不穷,Ansoft HFSS和ADS等传统三维电磁仿真软件功能也在不断强化,仿真精度越来越高,优化结果越来越接近实际数值。这些无疑给连接器的仿真和优化设计创造有极为有利的条件。
时域测量分析是进行微波传输系统缺陷分析的有效方法之一。通过时域测量,可获得沿传输线的阻抗变化、集中反射点位置、集中反射点的电特性等数据,这对于分析和优化连接器设计是非常有利的。通过对时域测量数据的分析,找出连接器设计结构当中不匹配点并对其进行逐一调整和优化,以达到提高电性能的目的。时域测量的定位精度和响应分辨率直接关系到时域分析结果的准确性,而响应分辨率与微波测试设备的频宽、采样速率有直接的关系。近年来随着行业的发展和西方国家对华禁运政策的调整,越来越多的国内射频同轴连接器生产厂家具备了频率上限到20GHz甚至高达40GHz的具备时域测试功能的矢量网络分析仪,这也使时域测量分析技术应用于射频同轴连接器的优化设计成为可能。
2 射频同轴连接器的一般设计原则
射频同轴连接器的工作原理比较简单,可以说是一段能够使RF传输系统实现电气连接与分离的同轴传输线。连接与分离这一机械过程的实现要求连接器具有可靠的连接界面;连接器的适用性和方便性要求连接界面有多种不同的规格和连接形式;连接器的通用性和互换性要求连接界面的标准化;连接与分离的可靠性与稳定性要求连接器界面尺寸及内外导体相对位置的稳定及足够的机械保持力。这是对连接器界面及结构的基本要求,另一方面连接器需要与同轴电缆、微带等传输线连接,同样也需要考虑连接过渡的匹配性、稳定性和连接的可靠性。机械连接的稳定性与可靠性是实现射频同轴连接器电气连接可靠性与稳定性的基础,稳定可靠的机械结构加上均匀匹配的阻抗、合理的介质材料,便可得到电气性能优良的射频同轴连接器。
但阻抗的不连续是不可避免的:界面的机械连接及界面的容差导致连接界面的阻抗不连续;用于保证机械稳定性的台阶定位结构导致不连续电容的存在;机械公差及介质电参数的漂移导致特性阻抗的漂移;连接器与电缆及微带等射频传输线连接部分的适配性及电磁场场形变化也会产生特性阻抗不连续。只有对这些不连续逐一进行识别和补偿,才能使射频同轴连接器具有更好的电性能指标。关于射频同轴连接器的设计补偿计算很多理论著作及学术论文当中都有更为详尽的阐述,这里就不再赘述了,但需要说明的是绝大多数的经验公式都是通过对大尺寸同轴传输线的研究得来的,对我们常规的使用频率不是很高的连接器的设计而言其精确度已足够,而对于小尺寸、高频率、高性能要求的连接器(如毫米波连接器)设计而言,由于尺寸公差、表面粗糙度、金属材料表面电阻率及介质电参数的稳定性等方面的影响变得不可忽略,所以此时的计算结果仅能作为参考。
综上所述,在明确了用户需求及确定了连接界面形式的情况下,连接器的基本设计思想可简单总结为以下三点:
•  在充分满足客户需求的情况下采用最简洁的设计结构。简单就是可靠,简洁的结构不仅可以有效减少不连续点(段)的存在,提高电性能,而且简洁的结构有更好的机械可靠性。
•  尽量使每一段的阻抗都与标称特性阻抗相符。保证传输线阻抗的均匀性是减小反射的关键。
•  对不可避免的不连续逐一进行共面补偿。共面补偿是弱化和消除集中反射(不连续点)的有效方法,其原理是针对不连续点的电特性(容性或感性)在其邻近部位引入一段感性或容性区域,使在不连续点附近一定区域内“平均阻抗”接近标称特性阻抗值,以达到在一定的频段内减小反射的目的。从根本上讲共面补偿就是在失配部位形成一个低通滤波网络,只要通频带足够宽(覆盖连接器要求的频率范围),便可得到理想的补偿。
由LC低通滤波网络原理可知,集中电容或电感值越大,低滤波器的通频带越窄,即在较高的使用频率下想要使共面补偿达到更好的效果,首先是集中电容或电感值要尽量的小,否则在高频段不可能设计出性能优异的射频同轴连接器产品。由此可见共面补偿毕竟是后天性的,在进行射频同轴连接器产品的设计时首先应尽量减少不连续点(段)的存在,并使不可避免的不连续尽量的小。
2019-8-16 15:28:48 评论

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3 仿真优化设计技术
利用三维电磁场分析软件建模仿真,对连接器的设计进行优化,可以提高产品设计的一次成功率。尤其是对性能要求高或有特能要求的连接器产品,通过建模仿真和计算,可以不用生产样品而得到设计将可能达到的性能数据,通过进一步优化使模型达到所要求的性能指标,这时再安排生产出的样品,其性能指标会非常接近或一次达到设计输入的要求,即缩短了设计周期,又节省了研制费用、降低了开发成本,省时省力。
下面我们用Ansoft HFSS软件对一种7/16型1/4波长宽带防雷连接器进行仿真优化,以此为例介绍一下射频同轴连接器仿真优化设计的一般过程。
3.1 Ansoft HFSS软件简介
Ansoft HFSS(High Frequency Structure Simulator)是Ansoft公司著名的三维微波电磁仿真设计软件,其人性化的交互式用户界面和强大的优化功能给使用者带来非常大的便利。Ansoft Optimetrics (Ansoft 优化)是一种变量分析工具,它可以方便地对模型变量模拟分析,使我们在模拟优化时不用再建立和求解一系列模型,而只需建立一个模型即可。在Ansoft HFSS 8.0中没有包含Ansoft Optimetrics,但在Ansoft HFSS 9.0中已经集成了Optimetrics功能。
Ansoft HFSS软件具有强大的建模功能、丰富的材质库和模型库,这使得建模工作变得简单快捷,再加之强大的宏处理功能和多种扫频方式,使其成为应用最为广泛的三维微波电磁仿真设计软件。它可以模拟波导、空间、微带线路、同轴线及腔体中的三维电磁场,可以方便地实现天线、滤波器、波导器件、连接器等微波器件的仿真模拟和优化。其界面如图1。

图1 ANSOFT HFSS 9.0 界面
3.2  模型的建立
我们要模拟的是一种新型的多功能连接器――1/4波长金属支撑子式的宽带防雷连接器,两端为7/16型阴头。我们知道1/4波长金属支撑子在同轴传输线中相当于一个带宽很窄的带通滤波器,由于它使同轴线内导体直接良好地接地,因此作为防雷器时具有最小的残余浪涌电压和极强的电流处理能力,在雷电防护领域倍受青睐。过窄的使用带宽不利于它的推广,考虑目前通信系统工作频率,拟将其使用频带拓展为0.8~2.4GHz。利用切比雪夫多项式对其进行拓频设计,以1.6 GHz为中心频率,并考虑连接器应承受8/20μs 、50KA脉冲电流的冲击,得出如图2的基本结构模型:

a、原理图                                        b、结构模型
图2 宽带防雷原理图及基本结构模型
根据预定的外形尺寸,推算出的模型结构在实际设计中较难实现或会造成过高的制造成本,故考虑1/4波长金属支撑部分与连接器主体实现连接的可能结构,对模型结构进行调整(如图3)。

a、原理图                                    b、结构模型
图3 调整后的原理图及结构模型
调整后1/4波长金属支撑部分由原来的阻抗为Z1的均匀传输线变为长度为L1a、阻抗为Z1a和长度为L1b、阻抗为Z1b的两段传输线的组合,这样一来想要确定Z1a、Z1b、L1a和L1b,计算变得相当复杂。这一工作可以交给ANSOFT HFSS去做。由于结构的限制,可确定L1a为20mm,Z1a为88Ω,而L1b和Z1b预设为26mm和92Ω。由于优化前后连接器主体部分径向尺寸变化不会太大,因此将连接器主体部分两端分别加入适当的聚四氟乙烯绝缘支撑。考虑绝缘支撑的加入对电长度的影响并进行修正,然后根据经验公式对绝缘支撑处的不连续进行逐一补偿计算;因连接器将与50Ω电缆组件相连,故将N型插孔端面做为阻抗变换段的起始面。完成上述工作后可着手建立ANSOFT HFSS三维仿真模型(如图4)。

图4 在Ansoft HFSS中建立的三维仿真模型
模型建好后进行材质的设定:铜合金镀银的内导体材质可设为copper,绝缘支撑设为Teflon,其它部分本来应设为空气,但为了优化的方便,将其设为真空,这对结果的影响非常小,可以忽略不计。
下一步是端口设置:将两端连接器界面设置成50Ω端口。然后就可以设置求解条件:点频1.6GHz,10次迭代,最大误差0.01;Fast扫频方式、0.6-2.6GHz,分为50份。下面就可以开始进行初步求解了。计算后选择显示电压驻波比,则可得到图5a中显示的曲线。

图5a Ansoft模拟电压驻波比曲线
3.3 参数的设置及优化
为了做便于进行优化,要在模型中引入参数。分析上图曲线,和我们所需要的结果比较接近,带宽已经足够,但频带有些上移,中心低点没有完全形成。虽然0.9-2.6GHz时电压驻波比小于1.2,但中心峰值已接近1.2,有些过高,其主要因素就是Z1a和Z1b段的过渡。Z1处1/4波长金属支撑已经是较细了,再细会影响到电流处理能力,所以可以调节的只有Z1b和Z2了。将Z2段内导体外半径设为可变参数SizeR1,范围3.9-4.0,每步0.05mm;将Z1b段外导体内径设为可变参数SizeR2,范围7.8-8.1,每步0.05mm;将Z1b段的长度设为SizeL,范围32-40,每步0.5mm。设置显示参数然后优化,优化后的曲线如下图所示:

图5b Ansoft模拟优化后的电压驻波比曲线

图6 最终产品结构图
3.4 模型的转化
将优化计算得到的数据用于产品的设计当中,根据生产工艺能力状况对内、外导体进行合理拆分,并考虑1/4波长金属支撑部分接地的可靠性和保留一定的调节量,得到最终设计结果(如图6所示)。
样品生产后经测试发现实际通频带略有偏移,且带宽不足:中心频率约为1.55GHz,通频带为0.78-2.36GHz。通过将D1b尺寸加大0.2mm,并对1/4波长金属支撑接地端螺母进行调整,以改变L1b的长度,使整体性能达到了要求:0.80-2.40GHz电压驻波比小于1.20。驻波测试曲线如图7所示。

图7 宽带防雷器样品测试曲线(2.4GHz时驻波比为1.13)
2019-8-16 15:29:09 评论

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4 时域分析优化设计法
射频同轴连接器的时域分析优化设计法是指通过时域测量分析的方法对设计样品进行测试验证,找出设计缺陷,并进一步进行设计优化,以提高连接器电性能的方法。
仿真优化设计技术是基于按传统设计理论建立的原始模型、在样品生产之前进行的设计优化工作,按其结果设计生产出样品后,要对样品进行测试验证,看其是否达到设计输入的要求。频域测量能给出被测连接器及电缆组件关于频率的综合特性,如电压驻波比、插入损耗等,这对判断样品是否符合设计输入要求是非常重要的。但当需要对射频同轴连接器或电缆组件进行诊断,需要判断或分离出集中反射点或阻抗的不连续段时,频域测量就无能为力了。而这些方面却正是时域测量所擅长的。
4.1 时域测量简介
时域测量的方法一般有直接测量和间接测量两种方法。直接测量是在脉冲激励下测量被测件的响应,从响应中直接获取需要的电参数。只要脉冲前沿上升时间足够短(如15PS以内)、接收机频带足够宽,直接测量法可提供很高的分辨率,常见的仪器配置为取样频率较高的取样示波器加射频分析模块和射频探头。
间接法测量是在扫频连续波激励下,先测被测件的频率响应,再把此响应利用傅里叶反变换转换到时域中。目前多数的矢量网络分析仪增加时域模块后都可具有间接时域分析功能,如HP8510,Wiltron的360系列、373系列等。矢量网络分析仪是射频同轴连接器生产厂家必备测试设备,这里就介绍一下利用Wiltron的37347A型矢量网络分析仪进行时域分析,对连接器进行设计优化的方法。
时域测量有两种工作模式。一种是低通(LOWPASS)模式;另一种是带通(BANDPASS)模式。低通模式可提供较高的分辨率;带通模式则便于去除掉不需要的响应和干扰。
低通模式常被用来模拟传统时域反射计测量,提供的信息可断定不连续点或中断的位置和类型(电阻、电容、电感),而这些正是射频同轴连接器设计优化过程中最有价值的信息。低通模式又有两种激励方式:阶跃激励(STOP)和脉冲激励(IMPULSE),其响应曲线的含义不同:

低通阶跃激励S11实部                        低通脉冲激励S11实部
图8 低通法两种激励模式响应曲线的含义
对无源器件进行时域分析时,低通模式一般进行的是反射测量,即单端口测量,仪器与被测件的连接如图9(a)所示。测量中水平轴响应是双向传输时间的间断点,光标表示双向时间和沿着轨迹的电长度。垂直轴响应经傅立叶反变换后仅有实数部分,它表示的是反射信号电压。由图8的两组曲线可以看出,在进行连接器时域测量分析中,低通阶跃激励的实部可以提供更为直观的不连续点的特性信息,便于对响应进行分析,是我们进行射频同轴连接器优化设计过程中最常用到的时域测试方法,它同时还可以进行电缆组件的缺陷定位。

a、时域反射测量连接图                              b、时域传输测量连接图
图9 时域反射测量和时域传输测量连接图
带通模式也有两种激励方式:脉冲激励(IMPULSE)和矢量脉冲激励(PHASOR-IMPULSE)。脉冲激励模式的垂直轴的显示值取决于所选的格式,其默认的格式是以dB为单位的回波损耗值。这种方式常被用于功分器、滤波器的测量及电缆组件的DTF (Distance to Fault) 测试。带通模式在测量频率范围上没有限制,因此可针对电缆组件使用频带对其进行测量分析。在频域测量中,相对反射系数的波纹是由每个接头处的反射相互干涉引起的,因此DTF测试不仅用于缺陷定位,还常作为一种连接器与电缆装接质量与匹配情况的综合评测方法,例如国外某通信设备制造商要求7/16射频同轴连接器与1/2波纹缆组成的跳线在上限频率为2GHz的DTF测试中两接头位置的回波损耗值应小于-38dB。
带通矢量脉冲激励模式中,响应曲线含义如下图:

图10 带通矢量脉冲激励(PHASOR-IMPULSE)响应曲线的含义
以上几种模式各不相同,我们可以根据不同的测试需要求选择。如果要进一步进行更精确的分析,矢量网络分析仪还提供了窗口和门控功能。窗口功能在隔离和识别单个响应的时域测量中非常有用,而门控功能可以灵活地选择去除不需要的间断点的响应,在传输测量中可以去掉多传输路径的干扰。
4.2 测量步骤和测试曲线的分析
我们以图11所示连接器为例,用户要求由该连接器与电缆组成的双头电缆组件频率在6-10GHz时电压驻波比不大于1.20,由于电缆是多层复合屏蔽结构外导体,介质及外皮为聚四氟乙烯绝缘材料,故采用焊接结构可以得到较好的电性能指标。但按常规经验公式计算并完成设计后,组装多根200 mm双头电缆组件后进行测试,结果一致性很好,但不能满足用户要求。
测试曲线如图12,测试频段设为6-10GHz,9.88 GHz时电压驻波比为1.254,远远超过要求指标。曲线中峰-峰间频率差约为0.45 GHz,电缆介质相对介电常数1.44,则可推算出反射点的间距约为:
(3×108/0.45×109) ×1.441/2=200(mm)
这与电缆组件长度基本相同,说明相互叠加的反射主要来自于两接头处;从整个曲线的趋势来看在每个连接器处应至少有两个集中反射点存在。

图11  SMA焊接式射频同轴连接器

图12 优化前电压驻波比曲线
将仪器按照反射测量法低通阶跃激励模式进行时域校准,并接入待测件进行时域测量分析。由于连接器中存在两种不同材料,测量时将相对介电常数设为1以便于计算,则可得到图13的测量曲线。

图13 SMA连接器时域测量曲线
采用短路法找出连接器的基准面“点1”,并将其它几个标记点放在波峰与波谷的位置,其中第6点处为电缆部位。由图13中的曲线可知,由于电缆相对介电常数为1.44,而我们设定的介电常数为1,所以电缆组件的实际电长度大于200mm空气线的电长度,所以在200mm处并没有出现第二只连接器的曲线。
对图中曲线进行分析可知:点6所在的电缆部分阻抗均匀性较好,阻抗值偏低(49Ω左右),而连接器部分阻抗变化较大;在2、4两点有感性不连续点,而处于焊接位置的5点由于焊接原因出现一容性不连续点。确定不连续点的位置可知,2点处于基准面到A点之间的绝缘子部位,3点处于A点附近,4点位于B点附近,而5点位于C和D之间。根据以上信息对连接器进行分析,发现前绝缘子部分外导体内径尺寸偏大,而绝缘子与内外导体之间均有较大的配合间隙,造成该部位阻抗偏大;而连接器焊接后由于后绝缘介质片对内导体的支撑强度较小,内导体焊接以后普遍有后缩现象,造成B点台阶处错位补偿过量(高阻段变长),使该点呈感性,也使得C和D之间的后绝缘介质部位因内导体后移而导致该补偿不足,使得该部位呈容性。
根据以上分析,对相关尺寸进行调整,连接器性能大有改善,小批量试装后测试,电压驻波比小于1.15,满足了用户要求。
4.3 影响测试分析精度的一些因素
在对射频同轴连接器作时域测量分析时我们希望所取得的响应曲线是准确的,并且尽可能分辩出相邻很近的不连续点的响应特性;在对较长的电缆组件作缺陷定位时我们要去除掉响应的重复叠加,保证测量的准确性。这就要求掌握时域测量中常用到的两个参数:响应分辨率和无混淆距离。
4.3.1无混淆距离R
由于矢量网络分析仪在频域中的取样有周期性间隔,这就导致了时域响应的周期性,因而限制了最大测量距离。设定Δf为相邻采样点的频率间隔,N为扫频带宽中采样点的数量,fstop为扫频终止频率,fstart为扫频起始频率,fspan为扫频宽度,则有:
  fspan=fstop-fstart
  R=1/Δf=3 X 108 X (N-1)/ fspan
在反射法测量时,无混淆距离为R/2。例如:fspan=20GH,N=401点时,最大测量距离为R=6m,对于反射测量来说无混淆距离为3m;fspan=1GH,N=201点时,最大测量距离为R=60m,对于反射测量来说无混淆距离为30m。
由上式可见,提高R的方法是增加采样点数N和减小fspan,但减小fspan会降低响应的分辨率。
4.3.2 响应分辨率ΔRS
响应分辨率是能分辨两个相邻响应的最小距离。对于两个幅度相等的响应,ΔRS等于响应值50%的脉冲宽度。其表达式为:
ΔRS=0.6/fspan
例如:=20GHz时,ΔRS=0.03m,对于反射测量则可分辨距离为0.015m的不连续点的时域响应。
由上式可知,提高响应分辨率的有效方法是提高扫频宽度。另外利用窗口功能可以提高时域测量的动态范围,选择最小的窗口可以有效缩短阶跃上升时间,可成倍提高响应分辨率。
5  结束语
2004年有三家国际著名连接器制造商的技术总监来笔者所在公司进行过技术交流,关于射频同轴连接器设计及优化方法问题笔者向他们做了问询和了解,答案是一致的,那就是三维电磁仿真模拟和时域测量分析的方法在这些公司已得到非常普遍的应用,是产品研发过程不可缺少的步骤。但在我们国内真正将其运用到射频同轴连接器及电缆组件设计优化过程的单位还是非常的少。本文对三维电磁仿真模拟和时域测量分析的方法进行了简单的介绍,希望能对从事连接器生产设计的工程技术人员有所帮助。由于专业所限,不足之处在所难免,希望批评指正。
作者:西安富士达科技股份有限公司 武向文
参考文献
1、微波工程手册  
2、天线工程手册  林昌禄 聂在平  电子工业出版社 2002年6月
3、同轴式TEM模通用无源器件 郑兆翁 人民邮电出版社 1983年4月
2019-8-16 15:29:14 评论

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