一種高性能SMP型雙陰轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)

　　摘要: 本文介紹了一種 SMP 型高性能雙陰轉(zhuǎn)接器的設(shè)計(jì)過程。主要介紹轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，如何降低反射系數(shù)和解決設(shè)計(jì)過程中出現(xiàn)的問題。

　　杜光琴;張棟宇;蘭瑞林;， 機(jī)電元件 發(fā)表時(shí)間：2021-10-18

　　關(guān)鍵詞: SMP; 高性能; 反射系數(shù)

　　1 前言

　　SMP 系列內(nèi)雙陰轉(zhuǎn)接器主要應(yīng)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(zhuǎn)接器，利用轉(zhuǎn)接器的軸向和徑向的浮動(dòng)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(jī)械電氣性能優(yōu)越、快速連接等優(yōu)點(diǎn)，被大量應(yīng)用于雷達(dá)、衛(wèi)星和民用通訊中。同時(shí)，隨著用戶對(duì) SMP 系列內(nèi)雙轉(zhuǎn)接器的使用頻率要求越來越高，電壓駐波比指標(biāo)要求越來越低。對(duì)此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種高性能雙陰轉(zhuǎn)接器。

　　2 主要技術(shù)指標(biāo)

　　產(chǎn)品的主要指標(biāo)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(zhì)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(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　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(yàn)及使用證明，SMP 型內(nèi)外導(dǎo)體直徑尺寸，內(nèi)外導(dǎo)體接觸尺寸規(guī)定的要求是有效、可行、可靠的，故本次產(chǎn)品的設(shè)計(jì)主要是產(chǎn)品固定結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、低反射系數(shù)的設(shè)計(jì)。

　　3. 1 轉(zhuǎn)接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

　　由于產(chǎn)品的使用溫度最高為 165℃，為了保證產(chǎn)品的使用要求和產(chǎn)品中心接觸件的固定性，SMP 型雙陰轉(zhuǎn)接器采用咬合結(jié)構(gòu)，外殼為臺(tái)階結(jié)構(gòu)，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(shí)，不發(fā)生軸向位移，產(chǎn)品結(jié)構(gòu)如圖 2 示。

　　SMP 型雙陰轉(zhuǎn)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(yīng)力，為了減小或者消除殘余應(yīng)力對(duì)零件強(qiáng)度的影響，轉(zhuǎn)接器劈槽部分結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)兩端錯(cuò)位 45 度( 如圖 3 所示) 。從而使應(yīng)力在加工過程中逐漸釋放，減小應(yīng)力的變形。并且為了保證插合強(qiáng)度及插合力量。

　　3. 2 中心接觸件固定性的設(shè)計(jì)

　　中心接觸件的固定性是射頻同軸轉(zhuǎn)接器有一項(xiàng)重要的指標(biāo)，為了保證中心接觸件固定性，轉(zhuǎn)接器必須采用合理的中心導(dǎo)體固定方式，防止內(nèi)導(dǎo)體竄動(dòng)，產(chǎn)品失效。產(chǎn)品常用的固定方式為環(huán)氧樹脂灌封固定和滾花倒刺固定結(jié)構(gòu)。如圖 4 所示:

　　由于轉(zhuǎn)接器溫度范圍為 - 65℃ ～ 165℃，并且產(chǎn)品尺寸小，為了滿足溫度范圍和尺寸要求，保證轉(zhuǎn)接器的性能指標(biāo)，提高插孔、絕緣子固定性能力， SMP 雙陰轉(zhuǎn)接轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)時(shí)采取絕緣介質(zhì)、插孔采用相互咬合結(jié)構(gòu)( 如圖 2 所示) ，外殼采用臺(tái)階結(jié)構(gòu)，絕緣子壓入外殼中，從而保證任何一端受力后內(nèi)導(dǎo)體不出現(xiàn)位移。同時(shí)為了為了保證插頭、插座對(duì)插時(shí)不出現(xiàn)抱死現(xiàn)象，在插合部位設(shè)計(jì)時(shí)插孔與絕緣子采用一段松配合。

　　3. 3 低反射系數(shù)的設(shè)計(jì)

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

　　3. 3. 1 絕緣支撐的設(shè)計(jì)

　　為了固定產(chǎn)品內(nèi)導(dǎo)體，保證內(nèi)、外導(dǎo)體同軸度，必須引入固體絕緣介質(zhì)，同時(shí)絕緣子作為產(chǎn)品中的傳輸介質(zhì)，對(duì)產(chǎn)品的整體電性能有較大的影響。

　　絕緣子設(shè)計(jì)主要有兩方面的設(shè)計(jì)流程如圖 6 所示: 絕緣子材料的選擇和絕緣子的補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

　　1) 絕緣材料的選擇及處理

　　SMP 型雙陰轉(zhuǎn)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(wěn)定，但熱膨脹系數(shù)大，受溫度影響較大。針對(duì)此特性，絕緣子在加工時(shí)首先按照使用溫度范圍對(duì)聚四氟乙烯介質(zhì)進(jìn)行高低溫循環(huán)預(yù)處理; 其次外殼設(shè)計(jì)時(shí)留出一定的空間，從而預(yù)防處理后絕緣子進(jìn)行溫度沖擊時(shí)產(chǎn)生的較小變化。

　　2) 絕緣子的補(bǔ)償設(shè)計(jì)

　　在同軸線傳輸過程中，內(nèi)導(dǎo)體直徑不發(fā)生變化時(shí)，電力線是垂直于內(nèi)外導(dǎo)體的表面，并且分布勻稱。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，為了保證內(nèi)導(dǎo)體中心接觸件的固定性，連接器的內(nèi)外導(dǎo)體至少有一個(gè)發(fā)生會(huì)在尺寸上發(fā)生改變。內(nèi)外導(dǎo)體直徑一旦出現(xiàn)階梯變化，電力線沒辦法保持均勻，所以就破壞連接器內(nèi)部磁場的分布，產(chǎn)生了不連續(xù)電容。如圖 7 所示。

　　為了保證產(chǎn)品的性能指標(biāo)要求，產(chǎn)品絕緣子設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)產(chǎn)生反射的部位進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)，補(bǔ)償設(shè)計(jì)首先利用傳輸線設(shè)計(jì)理論公式進(jìn)行理論計(jì)算，得出理論計(jì)算值; 其次利用仿真軟件對(duì)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真。利用仿真軟件對(duì)不連續(xù)部位補(bǔ)償尺寸進(jìn)行調(diào)整，找出影響產(chǎn)品電性能的關(guān)鍵地方，在產(chǎn)品的后期設(shè)計(jì)生產(chǎn)時(shí)對(duì)此尺寸進(jìn)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(chǎn)品電壓駐波比滿足用戶要求。根據(jù)產(chǎn)品仿真結(jié)果和產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的需求，最終確定絕緣子外形結(jié)構(gòu)如圖 10 所示:

　　3. 3. 2 零件精度的設(shè)計(jì)

　　轉(zhuǎn)接器內(nèi)外導(dǎo)體的同軸，內(nèi)外導(dǎo)體的公差都會(huì)能導(dǎo)致轉(zhuǎn)接器特性阻抗偏離設(shè)計(jì)的計(jì)算值，最終影響轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)，為了保證轉(zhuǎn)接器的精度要求，產(chǎn)品設(shè)計(jì)圖紙時(shí)對(duì)轉(zhuǎn)接器的同軸度，零件尺寸公差控制都加嚴(yán)，從源頭上降低轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)。同時(shí)，雙陰轉(zhuǎn)接器插孔接觸件由于彈性的設(shè)計(jì)要求需要劈槽、收口，插孔接觸件的虛線部分即直徑發(fā)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(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)需要對(duì)彈性接觸件部位由于劈槽導(dǎo)致的直徑變化進(jìn)行有效補(bǔ)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(bǔ)償結(jié)構(gòu)見圖 11。

　　3. 3. 3 界面吻合程度

　　SMP 插頭插座插合后，內(nèi)外內(nèi)導(dǎo)體之間要接觸緊密，如果有間隙( 如圖 12) 存在將增大轉(zhuǎn)接器間的反射系數(shù)，因此，轉(zhuǎn)接器界面尺寸設(shè)計(jì)時(shí)在滿足 GJB5246 界面尺寸基礎(chǔ)上，對(duì)此轉(zhuǎn)接器界面尺寸進(jìn)行加嚴(yán)控制，減小間隙的距離，并對(duì)間隙產(chǎn)生的不連續(xù)電容進(jìn)行補(bǔ)償，從而減小轉(zhuǎn)接器的反射系數(shù)。時(shí)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(yùn)用，為公司微型針孔類零件臺(tái)階孔加工奠定了很好的基礎(chǔ)。