毫米波同轴连接器工艺装配方式的优化设计

近年来，我国的国际形势严峻，国家安全保障日益凸显。关键毫米波射频元器件是国家武器装备系统的重要战略物资，而毫米波射频同轴连接器是研制生产航天、航空、兵器、军用舰船、电子对抗系统等集成电路中传输射频信号和能量不可或缺的电子元件。其发展和应用是对整机装备小型化、轻量化要求的重要体现，对波导系统的替代使得整机装备的高频段互联系统体积大为缩小，拆卸复杂程度大幅降低 ，目前主要用于解决 30~110 GHz 高频率传输的连接问题，可以获得大回波损耗、小插入损耗和低电压驻波比。

工程应用中，会存在下面一种现象：选取了一种指标良好的毫米波射频同轴连接器作为信号传输端口，但实际测试得到的指标较差。做故障排查时，射频工程师往往容易忽略是否为连接器端口不匹配这一重要环节造成的，因为毫米波连接器不同于低频 SMA接头，其结构和装配方式具有严格的要求。

本文以 2.4 mm 同轴插针连接器为例子，分析如何确保在频率为 35~45 GHz 范围内的信号具有良好的传输特性。

带绝缘子 2.4 mm 同轴连接器如图 1 所示，其产品说明书推荐装配方式如图 2 所示。

高频信号的波长短，绝缘子透过腔体后形成的间隙已经能够影响到信号的性能了，但设计电路时容易忽视这点，导致实际应用中存在两种错误的装配方式，如图 3 中左侧的连接器模型。图 3 中的两种模型借助三维高频仿真软件 HFSS模拟实现，射频信号微带传输线的介质基板材料为罗杰斯 3003，具体参数查阅相关资料。

图 3 两种绝缘子实际装配的模拟模型

仿真两种模型得到了图 4 中（a）和（b）两种模型仿真曲线。

图 4 两种装配模型的仿真曲线

在 35~45 GHz 的频率范围内，采用图 3（a）的装配方式，信号的插入损耗（S 12 ）达到了 1.5 dB，回波损耗（S 11 ）仅有 6.5 dB，输入输出电压驻波比（VSWR）却有2.8，对于高频信号，这种装配连接器的方式犯了根本性的错误，完全是不可取的，信号的能量损失严重，无法高效传输到负载处。采用图 3（b）的装配方式，信号的插入损耗小于 0.4 dB，回波损耗大于 17.2 dB，输入输出电压驻波比小于1.32，这种装配方式考虑到了信号传输端口的匹配问题，但并没有达到最佳匹配状态。比较图 4（a）、 （b）两种模拟仿真，绝缘子端口空气腔直接影响了信号传输性能的优劣，毫米波连接器的装配必须要考虑端口的匹配，在图5中标明了匹配空气腔的位置。

为了更好地满足工程需求，有必要对图 3（b）中的模型进一步分析验证，找到空气腔的最佳匹配。所谓的匹配空气腔其实是绝缘子插针与结构件形成的一

段圆柱体空隙，模型的结构件如图 5 所示，图中椭圆部分为空气腔，图 6 为其参数化后的详图。

图 6 模型部件和尺寸参数化详图

对图 6 的模型进行参量的最优化仿真，得到图 7的仿真曲线。

图 7 参量优化后的曲线

从图 7 中可以清楚地看出，在 33~49.5 GHz 的频率范围内，信号的插入损耗小于 0.4 dB，回波损耗大于20.5 dB，输入输出电压驻波比小于 1.20。在 35~45 GHz频率内，信号具有更加良好的传输特性，与表 1 中给出的指标完全吻合，证明了本文采用的验证方法正确。此时，连接器的绝缘子插针直径 r 为 0.3 mm，绝缘介质材料为聚四氟乙烯，直径 R 为 1.9 mm，高度 L 为2.2 mm，匹配空气腔优化仿真后各参量数值见表 2。

表 2 匹配空气腔最优化参量

在结构件加工和工艺装配中，总有公差和误差的存在。为了确保连接器性能达到最好的状态，需要分别找出 R 1 、R 2 、L 1 和 L 2 4 个参量变化对连接器性能影响的一般规律。

从图 8 的仿真曲线图可以明显看出，参量 R 1 的变化对连接器的 S 11 、S 21 和 VSWR 均有影响，其中，对 S 11和 VSWR 影响显著。总体的变化趋势为先变好再变差。当 R 1 =1.6 mm 时，|S 11 | max =59.7 dB，|S 12 | min =0.19 dB，|VSWR| min =1.02。

图9中的仿真曲线波动很大，说明了参量R 2 的变化对连接器的性能具有剧烈的影响。在 30~50 GHz 频率范围内，当 R 2 =0.7 mm 时，|S 11 |≥15.5 dB，|S 12 |≤0.28 dB，|VSWR|≤1.30。取其他值时，连接器的工作带宽明显变窄，且回波损耗 S 11 变小，插入损耗 S 21 变差，VSWR 变大。此时，选取R 2 =0.7mm及附近的值较为适宜。

图 9 R 2 变化对连接器性能影响曲线图

建立模型时，参量 L 1 和 L 2 是一对相对变量，即 L 1可以用 L 2 表示。

图 10 L 1 变化对连接器性能影响曲线图

从图 10 中可以一目了然地看出，随着 L 1 的增大，连接器的回损、插损和驻波比逐渐恶化，工作带宽逐渐变窄，已经不具备良好的宽带性能，丧失了基本功能，L 1 决定了连接器传输性能的好坏。

通过对匹配空气腔具体参量的仿真，得到了连接器性能与参量间的基本规律，确定了各个参量对其影响的显著程度，在进行设计时做好理论仿真工作，在

文中通过模拟毫米波射频电路中连接器不合理的设计和实际工程加工及工艺装配方式建立模型，并进行了仿真实验，发现连接器中绝缘子与结构件的端口匹配对信号的插入损耗、回波损耗和输入输出的电压驻波比会产生显著影响，并发现其一般规律。所以，在进行高频射频电路接头选取时，针对特定频带和电路，将实际产品转换成理论模型，应用仿真工具，结合仿真结果，指导工艺装配，提高准确性和实用性。本文提供的这种思路在工程应用中有重要的参考价值。

来源：电子与封装