一種高性能SMP型雙陰轉接器的設計

　　摘要: 本文介紹了一種 SMP 型高性能雙陰轉接器的設計過程。主要介紹轉接器結構設計，如何降低反射系數和解決設計過程中出現的問題。

　　杜光琴;張棟宇;蘭瑞林;， 機電元件 發表時間：2021-10-18

　　關鍵詞: SMP; 高性能; 反射系數

　　1 前言

　　SMP 系列內雙陰轉接器主要應用于板間連接，常采用兩端為固定的 SMP 插頭連接器，中間采用 SMP 雙陰轉接器，利用轉接器的軸向和徑向的浮動量，從而保證器件的連接可靠，如圖 1 所示。它具有體積小、接觸可靠、機械電氣性能優越、快速連接等優點，被大量應用于雷達、衛星和民用通訊中。同時，隨著用戶對 SMP 系列內雙轉接器的使用頻率要求越來越高，電壓駐波比指標要求越來越低。對此，我們設計了一種高性能雙陰轉接器。

　　2 主要技術指標

　　產品的主要指標如下: a) 特性阻抗: 50Ω;b) 頻率范圍: DC ～ 40GHz; c) 溫度范圍: - 65℃ ～ + 165℃ ; d) 介質耐電壓: 500V. rms; e) 電壓駐波比( VSWR) : DC ～ 12. 4GHz，VSWR ≤1. 15; 12. 4 GHz ～ 18GHz，VSWR≤1. 20; 18GHz ～ 26. 5GHz，VSWR≤1. 35; 26. 5GHz ～ 40GHz，VSWR ≤1. 45; f) 射頻插入損耗: DC ～ 40GHz，≤0. 12 槡FdB ( F 單位為 GHz) ;

　　3 產品結構設計

　　SMP 型射頻連接器是一種通用毫米波射頻連接器，由于其連接器界面尺寸成熟，并且通過大量的試驗及使用證明，SMP 型內外導體直徑尺寸，內外導體接觸尺寸規定的要求是有效、可行、可靠的，故本次產品的設計主要是產品固定結構的設計、低反射系數的設計。

　　3. 1 轉接器結構設計

　　由于產品的使用溫度最高為 165℃，為了保證產品的使用要求和產品中心接觸件的固定性，SMP 型雙陰轉接器采用咬合結構，外殼為臺階結構，插孔、絕緣子相互咬合，絕緣子壓入外殼中，這樣任意一端受力時，不發生軸向位移，產品結構如圖 2 示。

　　SMP 型雙陰轉接器兩端接觸頭劈槽部分孔壁較薄，在零件加工后兩端劈槽部分的切削層都存在殘余應力，為了減小或者消除殘余應力對零件強度的影響，轉接器劈槽部分結構設計時兩端錯位 45 度( 如圖 3 所示) 。從而使應力在加工過程中逐漸釋放，減小應力的變形。并且為了保證插合強度及插合力量。

　　3. 2 中心接觸件固定性的設計

　　中心接觸件的固定性是射頻同軸轉接器有一項重要的指標，為了保證中心接觸件固定性，轉接器必須采用合理的中心導體固定方式，防止內導體竄動，產品失效。產品常用的固定方式為環氧樹脂灌封固定和滾花倒刺固定結構。如圖 4 所示:

　　由于轉接器溫度范圍為 - 65℃ ～ 165℃，并且產品尺寸小，為了滿足溫度范圍和尺寸要求，保證轉接器的性能指標，提高插孔、絕緣子固定性能力， SMP 雙陰轉接轉接器設計時采取絕緣介質、插孔采用相互咬合結構( 如圖 2 所示) ，外殼采用臺階結構，絕緣子壓入外殼中，從而保證任何一端受力后內導體不出現位移。同時為了為了保證插頭、插座對插時不出現抱死現象，在插合部位設計時插孔與絕緣子采用一段松配合。

　　3. 3 低反射系數的設計

　　影響 SMP 雙陰轉接器反射系數主要因素( 如圖 5 所示) 為: 絕緣支撐的設計、零件加工精度及界面的吻合程度。

　　3. 3. 1 絕緣支撐的設計

　　為了固定產品內導體，保證內、外導體同軸度，必須引入固體絕緣介質，同時絕緣子作為產品中的傳輸介質，對產品的整體電性能有較大的影響。

　　絕緣子設計主要有兩方面的設計流程如圖 6 所示: 絕緣子材料的選擇和絕緣子的補償設計。

　　1) 絕緣材料的選擇及處理

　　SMP 型雙陰轉接器采用的絕緣材料為聚四氟乙烯，聚四氟乙烯材料雖然電性能穩定，但熱膨脹系數大，受溫度影響較大。針對此特性，絕緣子在加工時首先按照使用溫度范圍對聚四氟乙烯介質進行高低溫循環預處理; 其次外殼設計時留出一定的空間，從而預防處理后絕緣子進行溫度沖擊時產生的較小變化。

　　2) 絕緣子的補償設計

　　在同軸線傳輸過程中，內導體直徑不發生變化時，電力線是垂直于內外導體的表面，并且分布勻稱。實際設計時，為了保證內導體中心接觸件的固定性，連接器的內外導體至少有一個發生會在尺寸上發生改變。內外導體直徑一旦出現階梯變化，電力線沒辦法保持均勻，所以就破壞連接器內部磁場的分布，產生了不連續電容。如圖 7 所示。

　　為了保證產品的性能指標要求，產品絕緣子設計時對產生反射的部位進行補償設計，補償設計首先利用傳輸線設計理論公式進行理論計算，得出理論計算值; 其次利用仿真軟件對產品結構進行仿真。利用仿真軟件對不連續部位補償尺寸進行調整，找出影響產品電性能的關鍵地方，在產品的后期設計生產時對此尺寸進行控制。

　　使用仿真軟件建立的電磁仿真模型如圖 8 所示;

　　從圖 9 可以看出: 電磁仿真中產品電壓駐波比滿足用戶要求。根據產品仿真結果和產品結構的需求，最終確定絕緣子外形結構如圖 10 所示:

　　3. 3. 2 零件精度的設計

　　轉接器內外導體的同軸，內外導體的公差都會能導致轉接器特性阻抗偏離設計的計算值，最終影響轉接器的反射系數，為了保證轉接器的精度要求，產品設計圖紙時對轉接器的同軸度，零件尺寸公差控制都加嚴，從源頭上降低轉接器的反射系數。同時，雙陰轉接器插孔接觸件由于彈性的設計要求需要劈槽、收口，插孔接觸件的虛線部分即直徑發生變化部位，從而引起特性阻抗的變化，直接影響連接器的電壓駐波比性能。產品設計時需要對彈性接觸件部位由于劈槽導致的直徑變化進行有效補償，以便在收口及插合后最大程度上獲得最小的阻抗變化，補償結構見圖 11。

　　3. 3. 3 界面吻合程度

　　SMP 插頭插座插合后，內外內導體之間要接觸緊密，如果有間隙( 如圖 12) 存在將增大轉接器間的反射系數，因此，轉接器界面尺寸設計時在滿足 GJB5246 界面尺寸基礎上，對此轉接器界面尺寸進行加嚴控制，減小間隙的距離，并對間隙產生的不連續電容進行補償，從而減小轉接器的反射系數。時將加工方法宣貫固化。用此方法在公司及同崗位上取得了較大提升，也得到在公司廣泛運用，為公司微型針孔類零件臺階孔加工奠定了很好的基礎。