现代射频同轴连接器优化设计技术

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。

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50&Om