射频同轴连接器中异形介质的设计方法

原创 5G通信射频有源无源 2024-06-11 00:01

如何提升高压系统的实时性能? 如何增强能源基础设施的实时控制？

本文分析了射频连接器设计过程中

各种常用异形支撑介质的等效介电常数

对设计同轴连接器、转接器有很大帮助

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介质切割法在射频同轴连接器中的应用

韦开河

【摘要】 本文介绍介质切割法用于同轴连接器的介质绝缘支撑的最佳切割(设计)，以扩展其工作频率范围；并用来补偿因设计和制造原因出现的阻抗不连续。凡有绝缘支撑的同轴连接器，均可采用这一方法进行最佳切割(设计)，获得满意的电性能。实现优化设计的目的。

【关键词】同轴连接器支撑设计介质切割法

一、引言

用于各种宽带微波通信设备的同轴连接器，通过缩小内、外导体直径来扩展工作频率范围的办法，已不能满足要求。

近几年来，国外有文章报导，用改变同轴连接器内绝缘支撑的介质体积比例[1]，减小它的有效介电常数，用这种办法进行宽频带绝缘支撑、宽频带耐高温及耐辐照绝缘支撑与毫米波段绝缘支撑的设计。

本文提出的“介质切割法”的原理、阻抗不连续的补偿的理论依据，以及应用计算和实验测量曲线，在生产中得到验证，可供参考。

二、原理

介质切割法是应用同轴传输线中，有绝缘支撑的介质的有效介电常数与其体积比例有关，支撑段的截止频率与等效介电常数成反比的特性[2]，减小介质(固体介质)支撑的占空比例，可以获得较小的等效介电常数值。从而达到拓宽工作频率范围的目的。同理，固体介质绝缘支撑体积比例的改变，影响着支撑段的特性阻抗。最佳切割(设计)，可以使阻抗不连续部分变得平滑，得到补偿[3]。

三、应用与计算

介质切割法用于射频同轴连接器中介质绝缘支撑的设计。公式：

或

表明，同轴线的外导体内直径D与内导体外直径d已定，将绝缘支撑切割成与空气介质混合使用，获得较小的(接近于空气的)等效介电常数e。实现、提高截止频率fc (或缩小λC)的目的。应用介质切割法最佳切割(设计)不同形状的绝缘支撑，其等效介电常数的计算见表1。

1. 宽频带耐高温、耐辐照绝缘支撑的切割(设计)

耐高温、耐辐照绝缘支撑，通常采用熔凝硅、康宁玻璃1723＃等材料，这类材料介电常数ε偏高(ε=3.78)。这将使支撑段的截止频率变低。在保证有足够机械强度的前提下，应尽量减少支撑材料。用介质切割法设计支撑呈星形或轮辐形。截止频率达到12GHz时，电压驻波比＜1.3。

2. 宽带绝缘支撑的切割(设计)

新开发的特性阻抗为75Ω的1.6/5.6系列同轴连接器，在反射系数r≤0.1时，最大工作频率为1GHz。应用介质切割法原理，“支撑”设计呈星形。在基本结构相同的情况，r≤0.1的条件下，频率达到10GHz。支撑形状见表1序号6所示。

3. 毫米波段绝缘支撑的切割(设计)

毫米波段的同轴连接器，截止频率高达40GHz以上。“支撑”分界面上，反射尽可能小。全固体介质支撑，不能满足要求，应用介质切割法，最佳切割(设计)绝缘支撑，能获得理想的效果。公式：=ε-(ε-1) ，在介质材料选定时，改变(切割)介质体积比例(即固体介质挖孔体积V孔/总体积)可获得需要的等效介电常数值。支撑厚度L≤λC/4，取L=1.5mm，反射最小。毫米波段支撑形状见表1序号4所示。

4. 直角连接器绝缘支撑的切割(设计)

直角连接器的绝缘支撑，通常采用两件带45°斜角的绝缘支撑，对接成90°角过渡。弯角处固体介质增厚，阻抗增加，破坏了连接器特性阻抗的连续。用介质切割法，最佳切割支撑尖角处介质，使阻抗平滑过渡，反射减小，提高尖角处截止频率，获得低的电压驻波比。直角连接器的绝缘支撑的最佳切割(设计)形状见表1序号5所示。

四、结果与讨论

宽带耐高温、耐辐照同轴连接器的绝缘支撑，用介质切割法切割(设计)成星形或轮辐形支撑，将康宁玻璃类介质的介电常数ε(等于3.78，变换成等效介电常数1.93计算值)。该值的降低，使支撑段的截止频率达到12GHz，电压驻波比S≤1.3。新开发的1.6/5.6系列宽带同轴连接器的绝缘支撑，用介质切割法切割(设计)，将最大工作频率达1GHz，反射系数≤0.1的第二代产品，进而发展为最大工作频率达10GHz，反射系数≤0.1的第三代产品。毫米波段K型连接器的研制，应用介质切割法切割(设计)的轮毂形绝缘支撑，将SMA型同轴连接器的截止频率由24GHz，提高到40GHz。直角同轴连接器，用介质切割法切割(设计)弯角支撑，使弯角处阻抗变得平滑、连续，得到补偿。

这些绝缘支撑的切割(设计)，因制造和测量工作的限制，本文只能给出两种典型结构的同轴连接器的电压驻波比与频率关系曲线，加以说明。见图1(a)和(b)所示。