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法兰同轴连接器系统帮助实现DC-220 GHz连接
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法兰同轴连接器系统帮助实现DC-220 GHz连接

2021-01-12 15:32:41 来源:连接器世界网 作者:Tom Roberts,Jon Martens Anritsu公司测量事业部

【大比特导读】为了覆盖宽带微波和毫米波测试设备的频率范围,需要同轴连接器、同轴探头或设备接口。最近,业内已经引入了70 kHz-220 GHz宽带网络分析系统,该系统的测试端口配有法兰同轴连接器接口。本文讨论了这种法兰同轴连接器的发展,该连接器支持高达220 GHz的频率,并满足当今设计的要求。

概要

为了覆盖宽带微波和毫米波测试设备的频率范围,需要同轴连接器、同轴探头或设备接口。最近,业内已经引入了70 kHz-220 GHz宽带网络分析系统,该系统的测试端口配有法兰同轴连接器接口。本文讨论了这种法兰同轴连接器的发展,该连接器支持高达220 GHz的频率,并满足当今设计的要求。

介绍

同轴连接器通常可以在宽带微波和毫米波测试设备上找到。选择同轴连接器尺寸,使其第一个TE11模式频率远高于仪器的最大工作频率,这是支持单模信号传输的要求。等式1显示了一个简单的同轴部分截止频率的近似值。该方程式近似第一个TE11模式开始传输的频率。

同轴连接器

其中d和D是内径和外径(以mm为单位),εr是截面的有效介电常数。通常,现有同轴连接器设计的机械特性会按比例缩小,以将TE11模式提高到最高工作频率之上。但是,随着频率超过大约100 GHz,缩小现有同轴连接器的机械尺寸会带来制造可行性和客户可用性问题。

1989年Hewlett Packard推出的1毫米连接器接口是缩小连接器接口的一个很好的例子。1毫米(W1)连接器接口是开放式标准,其设计与1.85毫米连接器接口非常相似,但尺寸缩小了。0.8mm连接器接口是缩小连接器接口的另一个示例。

IEEE-P2876标准中描述的连接器接口未描述同轴连接器的完整设计,而仅描述了其接口及其与另一个连接器的配合方式。设计特性都会受到缩小的影响,例如:带槽的凹形触点、中心导体磁珠支撑以及连接器接口后面的其他所有部件。

本文讨论了由于缩小引起的连接器设计问题,以及一些用于提高制造可行性和客户使用率的解决方案。本文还讨论了一种新的法兰同轴连接器系统,该系统可实现DC-220 GHz测量,从而解决了许多同轴缩小问题。

2、1毫米和0.8毫米连接器和适配器的设计和使用挑战

2.1槽式母座

同轴连接器在100 GHz以上工作的许多设计挑战源于零件加工的局限性。Oldfield讨论了厚度小于2密耳的纵切锯的使用方法。

纵切锯是与螺丝机一起使用的机床,用于在母同轴中心导体上形成两个和四个槽式开槽触点。大多数0.8毫米、1毫米(W1)、1.85毫米(V)的连接器都使用四槽母槽式触点。图1显示了一个1.85 mm(V)的四槽母槽式触点。

同轴连接器

图1:1.85毫米(V)四槽开槽触点

为了清晰起见,在1.85毫米(V)槽形接触的单个接触手指上进行了应变分析,以显示最大应变的位置,并在V轴方向上向手指的末端施加了向外的力。该分析是使用CST Studio Suite结构力学Solver8进行的。

深蓝色区域表示压缩应变,而深红色区域表示拉伸应变。这些是发生变形的位置。如果超过材料的曲变强度,则将发生永久变形和破坏。

对于0.6毫米和0.4毫米同轴连接器,使用2密耳的纵锯和钻孔操作可从开槽触点中去除不成比例的大量材料,从而产生薄而弱的母开槽触点。这些脆弱的触点与公头中心导体啮合时很可能会永久变形。

同轴连接器

图2:在1.85 mm(V)四槽槽式接触的单根手指上的应变分析,手指在V轴方向上的末端具有向外的力。

2.2精密钻孔

另一个加工限制是同轴连接器外部导体的精密钻孔。同轴连接器的外部导体通常要钻孔。对于大约0.4毫米至1毫米范围内的小直径,钻孔长度与直径的最大可达到比率约为10。

钻孔长度受钻头凹槽长度的限制。通常,期望使珠子支撑的连接器组件保持较短,以保持同心度,并且最小化由于中心导体错配而损坏凹形槽形触点的可能性。同轴航空器的直径比通常大于10,以实现较宽的校准测量带宽。为此,行业开发了一种制造技术。

Anritsu的0.8 mm系列适配器(即PN:33.8F.8F50、33.8.8F50、33.8.850)被设计为压配组件,以最大程度地减少适配器的长度,从而带来良好的同心度、改善的可制造性和更好的机械稳定性。另一方面,压配合设计要求沿压配合表面的紧密公差。此外,压配合设计还要求外部和中心导体部分的长度都具有严格的长度公差,因此当将组件压在一起时,插针深度在规格范围内。

更严格的零件公差会影响生产良率和成本。图3比较了Anritsu 1毫米(W1)F-F适配器和0.8毫米F-F适配器的尺寸。

同轴连接器

图3:Anritsu 33.8F.8F50 0.8毫米F-F适配器(顶部)和Anritsu 33WFWF50 1毫米(W1)适配器(底部)之间的长度比较

2.3连接器接口外导体配合区域

随着连接器组件的尺寸变小,用户使用和操作它们变得更加困难。随着标准螺纹连接螺母同轴连接器尺寸的减小,连接时两个外部导体之间的配合平面表面积减小。表1列出了几种IEEE-P287标准连接器的配合平面外导体表面积。

表1中列出的连接器尺寸不兼容,这会迫使连接螺母(其几何形状也在IEEE-P287标准中定义)的内螺纹尺寸较小,从而间接设置了允许的最大外部导体配合表面积。

表1:标准尺寸连接器的外部导体配合面积。

同轴连接器

随着配合表面积的减小,连接的沉重的DUT可能会引入横向扭矩,并会使连接器组件的布置发生弯曲。如果将连接器组件连接到网络分析仪的测试端口,并且引入了横向扭矩,则透射和反射参数的变化可能会很小。一些度量衡组织已经构造了自由浮动的悬挂系统,以悬挂其沉重的毫米波反射器头,因此每个1毫米测试端口连接器接口彼此之间都完全成一直线,从而最大限度地减小了任何横向配合连接器扭矩。

3、法兰同轴连接器接口

3.1开槽公端子

Oldfield引入了“龙虾爪”中心导体触点。不同于在母中心导体上开槽,该槽加工在公针上。该孔保留在中心导体的母侧,没有槽。在母侧,孔直径增加,使得圆形壁非常薄。一个大孔可以使公槽销相对于中心中心导体的直径相对靠近,从而最大程度地减小连接界面处的阻抗阶跃不连续性。当外螺纹销插入母侧的孔中时,内螺纹略向内塌陷。这与传统的凹形槽形触头相反,该凹形槽形触头在插入凸形销时向外张开。与标准的母槽式触点不同,由于仅引入单个槽,因此带槽的公针具有更高的刚性。图4显示了中心导体直径为0.261 mm的已成形开槽公引脚的图片。

同轴连接器

图4:成形的0.261毫米直径开槽公触针

3.2法兰外导体

由于需要的螺纹数量最少,并且存在用于将连接螺母固定到连接器外部导体的固定环,因此标准连接螺母尺寸会迫使连接器具有最小长度。引入另一种在不使用小连接螺母的情况下将连接器接口紧密地保持在一起的方法可以允许更大的连接器接口配合区域具有更高的刚度和较短的连接器组件长度。

使用兼容的UG-387/UM接口代替小螺纹连接螺母将两个接口连接在一起。图5显示了原型1mm(W1)到0.6mm法兰适配器的法兰侧。当连接重型DUT时,波导接口允许明显更多的外部导体接触表面积,从而转化为更牢固的连接。假设同心度良好,固定的波导法兰可在两个法兰配合连接器和中心导体之间提供精确的对准。

固定法兰的外导体接口的另一个好处与测量的可重复性有关。固定法兰仅允许两个旋转位置,而传统的螺纹连接螺母组件具有无限多个旋转位置。一致的旋转定位可最大化固定销法兰装置的连接可重复性。

同轴连接器

图5:Anritsu 33WG50原型的法兰侧1毫米(W1)公至0.6毫米法兰适配器

4、从同轴电缆过渡到波导

开发了薄型在线过渡垫片,以促进同轴到波导模式的转换,并可以连接波导设备。这些垫片夹在法兰同轴连接器接口和标准波导直通线之间。

垫片具有类似于Levy的设计的内部阶梯状细节,并且具有集成销或孔以与法兰同轴连接器接口配合(图6至8)。根据所使用的过渡垫片,与过渡垫片配合的法兰同轴连接器接口可以具有开槽的插针式中心导体或带孔的中心导体。

同轴连接器

图6:集成引脚0.6mm法兰到WR5的在线垫片过渡

同轴连接器

图7:集成孔0.6毫米法兰到WR5的在线垫片过渡

同轴连接器

图8:0.6毫米法兰到WR5直插垫片过渡的放大图

过渡垫片的厚度限制为0.9毫米,这是因为可用长度的立铣刀来生产内部零件。集成的引脚是实心的,没有开槽。

由于波导是高通结构并且不需要通过直流,因此使集成的引脚开槽是不可行或不必要的。 集成引脚与带凸缘的中心导体的滑动配合连接为整个波导带上的信号传输提供了足够的电容耦合。

使用CST Microwave Studio构建了完整的3D电磁模型,并且对包括波导过渡在内的带法兰同轴中心导体的集成引脚直径进行了径向扫描,对传输和反射参数几乎没有不利影响(图9至11)。随着引脚直径的减小和电容耦合的减小,|S11|在WR5频段的140 GHz处衰减。

同轴连接器

图9:具有集成引脚的0.6mm同轴到WR5波导过渡的3D EM模型

500

图10:|S11|的参数扫描与频率的关系,通过改变直径为710万密耳孔内实心销来确定。

同轴连接器

图11:|S21|的参数扫描与频率的关系,通过改变直径为710万密耳孔内实心销来确定。

具有标准UG-387/UM接口的WR5波导通过过渡垫片的波导侧连接到:1)使参考平面远离匀场过渡步骤,2)允许通过过渡段和法兰同轴接口扭曲通孔的端部,并允许将波导设备连接到通孔的另一端,3)提供更精确的矩形波导界面,其超出垫片0.127 mm角半径和过渡台阶的范围。

图12显示了完整的组件,图13显示了测得的反射和透射响应的曲线图。使用Anritsu Vectorstar VNA的1端口UFX(通用夹具提取)高级去嵌入功能进行电气测量。

同轴连接器

图12:Anritsu的35WR5G适配器的组装,显示了0.6mm同轴到WR5过渡垫片和波导壳体

同轴连接器

图13:Anritsu的35WR5G 0.6毫米同轴转WR5适配器的反射和传输响应

5、法兰同轴电缆到1毫米(W)和0.8毫米适配器

我们开发了1毫米(W1)和0.8毫米同轴到法兰适配器,以方便标准同轴连接器类型的连接。 这些适配器由两个薄垫片(例如外部导体)构成,用四个凹入法兰侧表面的平口螺钉螺栓固定在一起。另一侧装有外螺纹连接螺母。两个垫片之一用作中心导体磁珠支撑架。两种垫片都必须相对较薄,以使总装配长度保持最小,并且孔的长度与直径之比小于10。将这些适配器设计为螺栓连接组件而不是压配合组件,可以精确调整销的深度和同心度,并提高制造良率。图14显示了两件式1 mm(W1)至0.6 mm的同轴法兰组件。

同轴连接器

图14:Anritsu的33WG50 0.6毫米法兰对1毫米(W1)同轴两件式适配器。该图显示了0.6毫米法兰侧。

同轴连接器

图15:Anritsu的33WG50 1毫米(W1)同轴至0.6毫米法兰适配器的反射和传输响应

6、法兰同轴探头

法兰同轴晶片探针是与MPI合作开发的,可使用Anritsu的ME7838G矢量网络分析仪系统促进70 kHz至226 GHz连续扫频晶片上测试。探头从法兰接口到下端都采用连续的同轴结构。

地面信号地面(GSG)探针头。这种连续的同轴结构使探头更短,通量损失最小。探头的法兰接口可将其直接连接到Anritsu MA25400A反射仪模块的法兰接口,而无需任何适配器或电缆(图16)。

同轴连接器

图16:使用直接连接到Anritsu的MA25400A反射仪模块的MPI法兰同轴晶片探针进行的两端口晶片探针测量。

7、结论

标配标准螺纹连接螺母同轴连接器不适用于外径小于0.8 mm的外部导体的连接器。中心导体和外部导体的加工限制要求采用其他方法来设计连接器接口、连接器和适配器组件。相对较重的波导组件(在110 GHz以上使用)的流行需要坚固的同轴连接接口,该接口应具有外部导体,该外部导体在垂直负载下不会相对于连接器轴弯曲。机械坚固的法兰同轴接口还具有与使用同轴同轴到波导过渡垫片的标准UG-387/UM波导接口匹配的额外好处。

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