现代射频同轴连接器优化设计技术

1　引言

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。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。