一种可伸缩QMA/LRMG-KJ射频同轴转接器的设计

1 引言

随着通信技术的迅速发展，射频连接器作为微波领域中的重要射频传输元器件，其种类越来越多。尤其是近几年，电子设备及系统的集成度越来越高，对连接器的小型化、集成化、模块化、高速化、易维修、快插拔等方向发展提出了更高的要求。射频同轴转接器作为连接不同界面射频连接器的中间器件应需而生。

QMA连接器具有快锁的结构特点，安装需要的操作空间小，且兼容了SMA连接器的良好电气性能，但是QMA-K插座一般都是面板法兰安装，不具备集成化的特点。LRMG界面射频接触件属于模块化非常高的同轴连接器，尤其是在机箱中，有大量的应用，但是通常只接细小柔性电缆，不适用接粗电缆应用场合，且更换不如QMA便捷。为了解决上述问题，本文将两种界面合二为一，设计了一款可伸缩转接器。

图1 常规弹簧浮动设计结构

2 转接器的设计

该型QMA/LRMG-KJ转接器采用50Ω阻抗，一端为标准的QMA-K界面，可与QMA-J同轴连接器互换，可实现与电缆的快锁和快速更换，另一端为标准的LRMG-J界面，与LRMG-K同轴连接器互换，可应用于集成化模块。连接器的模块化，通常要求射频接触件具有浮动盲插功能。为了保证多通均能达到各自的电气界面要求，接触件一般都设计有弹簧结构。常规弹簧浮动结构如图1所示，连接器的电气件和安装结构件是相对运动的，仅适合于连接器的轴向拉力小于弹簧弹力的使用环境。一般当连接器接粗长电缆，且电缆的拉力超过弹簧的弹力时，将不宜采用。本文在常规弹簧浮动结构的基础上，增加连接器的可伸缩结构，既保留了QMA-K端的界面轴向固定性，又满足了LRMG-J端的弹簧浮动性，可在集成化模块中快速装夹。

2.1 主要性能指标

机械性能：可伸缩量：2mm；机械寿命：≥500次。

电气性能：特性阻抗：50Ω；工作频段：Ku波段；频率范围：0.01GHz～18GHz；VSWR：≤1.4。

2.2 机械结构原理设计

图2 转接器设计结构

根据转接器可伸缩性要求，内、外导体分别设计为分体式，如图2所示。外导体1与外导体2之间通过弹性卡圈和弹簧连接，确保转接器的可压缩性和回弹能力，同时外导体1设计有簧片结构，确保转接器外导体的电连续性。LRMG射频接触件是一种推入式连接器，压缩弹簧的工作载荷选取至关重要：太小，连接器接触件不可靠，太大，直接提升了连接器的插拔力，不利于连接器的高度集成化。转接器弹簧工作载荷应略高于我司LRMG同轴接触件的插拔力范围要求和考虑转接器内导体之间、外导体之间摩擦力之和。弹簧的结构参数还需根据外导体的外形尺寸和安装尺寸以及可伸缩量来综合考评。弹簧工作载荷可通过公式（1）^[1]计算。

（1）

式中：Fn——弹簧的弹力，N；fn——变形量，mm；G——材料切变模量，N/mm2；d——弹簧线径，mm；n——弹簧有效圈数；D——弹簧中径，mm；

外导体1上装配锁紧环，转接器通过锁紧环结构安装于模块壳体中。转接器与锁紧环间隙配合，以实现转接器的浮动^[2]。转接器的LRMG端在对接过程中，能够自动调整至理想的对中位置，实现柔性对接，同时降低模块的整体插拔力。

2.2 电设计及仿真优化

射频连接器因为需要考虑内导体和介质体在外导体中的固定性，不可避免需要设计定位台阶，但由此造成了阻抗的不连续。信号在射频连接器中传输时，遇到阻抗不匹配的地方会引起反射，从而使电压驻波比增大，影响电气性能。因此需要通过阻抗计算，对阻抗不连续的地方进行阻抗补偿，从而满足阻抗一致性要求^[3]。

射频同轴连接器的特性阻抗是由内导体和外导体的直径以及绝缘支撑介质的介电常数决定的，之间的关系式见式（2）：

（2）

式中：Z0——特性阻抗，50Ω；εr——相对介电常数，空气=1，聚四氟乙烯=2.02；D——外导体内径，mm；d——内导体外径，mm。

根据式（1），分段设计负载的内部结构。LRMG-J端与标准LRMG-K对接后，介质为空气，εr为1，内导体外径为0.7mm及外导体内径为1.6mm均为标准值，满足公式（2）。标准QMA-K端，内、外导体之间完全用聚四氟乙烯填充，聚四氟乙烯的相对介电常数εr为2.02，内导体外径为1.27mm及外导体内径为4.1mm均为标准值，满足公式（2）。转接器中间段，只有聚四氟乙烯和空气两种介质，均可通过公式（2）进行内、外导体直径计算。

由于转接器中存在多个变径点，并且同时含有台阶式变截面和锥形变截面[4]，其补充设计较为繁琐，因此可通过相关补偿理论进行估算，然后把初步确定的结构尺寸导入仿真软件，进行模拟计算，并确定最优电结构理论尺寸。通过把多个错位补偿值设定为变量，得出仿真结果如图3所示：在0.01GHz～20GHz范围内，VSWR最大值为1.05，理论上能够满足0.01GHz～18GHz，VSWR≤1.4的使用要求。

图3 转接器仿真VSWR曲线

3 调试与完善

由于该型转接器结构较为复杂，零件数量多，装配级数多，且零件加工尺寸控制点较多，产品装配后测试结果与仿真结果存在一定的差异。仿真结果并不等同于实物时间性能。因此在产品投产前，需要进行样品验证、调试和完善。

该转接器在样品验证过程中发现两个问题点：弹簧弹力偏小和VSWR偏大。

转接器样品与标准LRMG-K对接互换过程发现，转接器还未对接到位，弹簧已经发生压缩，转接器总长度有缩短。因此无法保证转接器在自由伸长状态实现与LRMG-K接触件的可靠连接。根据公式（1），减少弹簧的有效圈数可以提升弹簧的弹力。

通过样品测试发现，VSWR在1.4至1.5之间。经分析，转接器内、外导体经均分体结构，外导体1和外导体2（内导体1和内导体2）通过开槽簧片结构实现弹性互连，而开槽槽宽将影响转接器的特性阻抗，见公式（3）。通过式（3）可以看出，开槽数目越多，开槽越宽，对连接器的特性阻抗影响越大^[5]。

（3）

其中：△Z ——特性阻抗变化的百分数；N——开槽数目；w——插孔接触件上的槽宽；R——插孔接触件的外径。

因此通过对弹簧的有效圈数和对内、外导体的槽宽进行优化，重新生产样品进行验证。经调试，发现转接器自由伸长状态，可顺利完成于LRMG-K接触件的互换，且VSWR≤1.35（0.01GHz～18GHz）。转接器结构可靠，性能优良，能够满足使用要求，实物如图4所示。

图4 转接器实物外观

4 结论

本文介绍了一款可伸缩QMA/LRMG-KJ射频同轴转接器的设计过程，总结了调试过程中遇到的问题，给出了相应的理论分析和解决办法，并完善了转接器的结构。由实际测试结果可以看出，该型同轴转接器能够满足使用要求，可应用于集成化模块中。本文为连接器的高度集成化，提供了设计思路。

参考文献（References）：

[1]李留安,于少军. 多路射频连接器的结构设计[J].电子产品世界,2011 (6)：54-57.

[2]刘灵. 高低频混装连接器的结构与力学性能研究[J].航天制作技术,2020 (2)：65-67.

[3]冯良平,徐岚. 射频同轴连接器设计要点[J].国外电子测量技术,2005(11)：39～44.

[4]李明德. 降低射频同轴连接器电压驻波比的方法探讨[J].机电元件,2011(3)：33～42.

[5]乔长海,李留安. 射频连接器用开槽插孔的可靠性设计与制作[J].电子产品世界,2011 (3)：52～56.

作者简介：刘灵（1986-），男，工程师，从事高低频混装连接器及组件产品的研发工作。

注：本文来源于《电子产品世界》杂志2020年10月期