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法蘭同軸連接器系統幫助實現DC-220 GHz連接

    作者:宏拓新軟件
    發布日期:2021-01-18         
閱讀:48     
 
 

概要

為了覆蓋寬帶微波和毫米波測試設備的頻率范圍,需要同軸連接器、同軸探頭或設備接口。最近,業內已經引入了70 kHz-220 GHz寬帶網絡分析系統,該系統的測試端口配有法蘭同軸連接器接口。本文討論了這種法蘭同軸連接器的發展,該連接器支持高達220 GHz的頻率,并滿足當今設計的要求。

介紹

同軸連接器通常可以在寬帶微波和毫米波測試設備上找到。選擇同軸連接器尺寸,使其第一個TE11模式頻率遠高于儀器的最大工作頻率,這是支持單模信號傳輸的要求。等式1顯示了一個簡單的同軸部分截止頻率的近似值。該方程式近似第一個TE11模式開始傳輸的頻率。

同軸連接器

其中d和D是內徑和外徑(以mm為單位),εr是截面的有效介電常數。通常,現有同軸連接器設計的機械特性會按比例縮小,以將TE11模式提高到最高工作頻率之上。但是,隨著頻率超過大約100 GHz,縮小現有同軸連接器的機械尺寸會帶來制造可行性和客戶可用性問題。

1989年Hewlett Packard推出的1毫米連接器接口是縮小連接器接口的一個很好的例子。1毫米(W1)連接器接口是開放式標準,其設計與1.85毫米連接器接口非常相似,但尺寸縮小了。0.8mm連接器接口是縮小連接器接口的另一個示例。

IEEE-P2876標準中描述的連接器接口未描述同軸連接器的完整設計,而僅描述了其接口及其與另一個連接器的配合方式。設計特性都會受到縮小的影響,例如:帶槽的凹形觸點、中心導體磁珠支撐以及連接器接口后面的其他所有部件。

本文討論了由于縮小引起的連接器設計問題,以及一些用于提高制造可行性和客戶使用率的解決方案。本文還討論了一種新的法蘭同軸連接器系統,該系統可實現DC-220 GHz測量,從而解決了許多同軸縮小問題。

2、1毫米和0.8毫米連接器和適配器的設計和使用挑戰

2.1槽式母座

同軸連接器在100 GHz以上工作的許多設計挑戰源于零件加工的局限性。Oldfield討論了厚度小于2密耳的縱切鋸的使用方法。

縱切鋸是與螺絲機一起使用的機床,用于在母同軸中心導體上形成兩個和四個槽式開槽觸點。大多數0.8毫米、1毫米(W1)、1.85毫米(V)的連接器都使用四槽母槽式觸點。圖1顯示了一個1.85 mm(V)的四槽母槽式觸點。

同軸連接器

圖1:1.85毫米(V)四槽開槽觸點

為了清晰起見,在1.85毫米(V)槽形接觸的單個接觸手指上進行了應變分析,以顯示最大應變的位置,并在V軸方向上向手指的末端施加了向外的力。該分析是使用CST Studio Suite結構力學Solver8進行的。

深藍色區域表示壓縮應變,而深紅色區域表示拉伸應變。這些是發生變形的位置。如果超過材料的曲變強度,則將發生永久變形和破壞。

對于0.6毫米和0.4毫米同軸連接器,使用2密耳的縱鋸和鉆孔操作可從開槽觸點中去除不成比例的大量材料,從而產生薄而弱的母開槽觸點。這些脆弱的觸點與公頭中心導體嚙合時很可能會永久變形。

同軸連接器

圖2:在1.85 mm(V)四槽槽式接觸的單根手指上的應變分析,手指在V軸方向上的末端具有向外的力。

2.2精密鉆孔

另一個加工限制是同軸連接器外部導體的精密鉆孔。同軸連接器的外部導體通常要鉆孔。對于大約0.4毫米至1毫米范圍內的小直徑,鉆孔長度與直徑的最大可達到比率約為10。

鉆孔長度受鉆頭凹槽長度的限制。通常,期望使珠子支撐的連接器組件保持較短,以保持同心度,并且最小化由于中心導體錯配而損壞凹形槽形觸點的可能性。同軸航空器的直徑比通常大于10,以實現較寬的校準測量帶寬。為此,行業開發了一種制造技術。

Anritsu的0.8 mm系列適配器(即PN:33.8F.8F50、33.8.8F50、33.8.850)被設計為壓配組件,以最大程度地減少適配器的長度,從而帶來良好的同心度、改善的可制造性和更好的機械穩定性。另一方面,壓配合設計要求沿壓配合表面的緊密公差。此外,壓配合設計還要求外部和中心導體部分的長度都具有嚴格的長度公差,因此當將組件壓在一起時,插針深度在規格范圍內。

更嚴格的零件公差會影響生產良率和成本。圖3比較了Anritsu 1毫米(W1)F-F適配器和0.8毫米F-F適配器的尺寸。

同軸連接器

圖3:Anritsu 33.8F.8F50 0.8毫米F-F適配器(頂部)和Anritsu 33WFWF50 1毫米(W1)適配器(底部)之間的長度比較

2.3連接器接口外導體配合區域

隨著連接器組件的尺寸變小,用戶使用和操作它們變得更加困難。隨著標準螺紋連接螺母同軸連接器尺寸的減小,連接時兩個外部導體之間的配合平面表面積減小。表1列出了幾種IEEE-P287標準連接器的配合平面外導體表面積。

表1中列出的連接器尺寸不兼容,這會迫使連接螺母(其幾何形狀也在IEEE-P287標準中定義)的內螺紋尺寸較小,從而間接設置了允許的最大外部導體配合表面積。

表1:標準尺寸連接器的外部導體配合面積。

同軸連接器

隨著配合表面積的減小,連接的沉重的DUT可能會引入橫向扭矩,并會使連接器組件的布置發生彎曲。如果將連接器組件連接到網絡分析儀的測試端口,并且引入了橫向扭矩,則透射和反射參數的變化可能會很小。一些度量衡組織已經構造了自由浮動的懸掛系統,以懸掛其沉重的毫米波反射器頭,因此每個1毫米測試端口連接器接口彼此之間都完全成一直線,從而最大限度地減小了任何橫向配合連接器扭矩。

3、法蘭同軸連接器接口

3.1開槽公端子

Oldfield引入了“龍蝦爪”中心導體觸點。不同于在母中心導體上開槽,該槽加工在公針上。該孔保留在中心導體的母側,沒有槽。在母側,孔直徑增加,使得圓形壁非常薄。一個大孔可以使公槽銷相對于中心中心導體的直徑相對靠近,從而最大程度地減小連接界面處的阻抗階躍不連續性。當外螺紋銷插入母側的孔中時,內螺紋略向內塌陷。這與傳統的凹形槽形觸頭相反,該凹形槽形觸頭在插入凸形銷時向外張開。與標準的母槽式觸點不同,由于僅引入單個槽,因此帶槽的公針具有更高的剛性。圖4顯示了中心導體直徑為0.261 mm的已成形開槽公引腳的圖片。

同軸連接器

圖4:成形的0.261毫米直徑開槽公觸針

3.2法蘭外導體

由于需要的螺紋數量最少,并且存在用于將連接螺母固定到連接器外部導體的固定環,因此標準連接螺母尺寸會迫使連接器具有最小長度。引入另一種在不使用小連接螺母的情況下將連接器接口緊密地保持在一起的方法可以允許更大的連接器接口配合區域具有更高的剛度和較短的連接器組件長度。

使用兼容的UG-387/UM接口代替小螺紋連接螺母將兩個接口連接在一起。圖5顯示了原型1mm(W1)到0.6mm法蘭適配器的法蘭側。當連接重型DUT時,波導接口允許明顯更多的外部導體接觸表面積,從而轉化為更牢固的連接。假設同心度良好,固定的波導法蘭可在兩個法蘭配合連接器和中心導體之間提供精確的對準。

固定法蘭的外導體接口的另一個好處與測量的可重復性有關。固定法蘭僅允許兩個旋轉位置,而傳統的螺紋連接螺母組件具有無限多個旋轉位置。一致的旋轉定位可最大化固定銷法蘭裝置的連接可重復性。

同軸連接器

圖5:Anritsu 33WG50原型的法蘭側1毫米(W1)公至0.6毫米法蘭適配器

4、從同軸電纜過渡到波導

開發了薄型在線過渡墊片,以促進同軸到波導模式的轉換,并可以連接波導設備。這些墊片夾在法蘭同軸連接器接口和標準波導直通線之間。

墊片具有類似于Levy的設計的內部階梯狀細節,并且具有集成銷或孔以與法蘭同軸連接器接口配合(圖6至8)。根據所使用的過渡墊片,與過渡墊片配合的法蘭同軸連接器接口可以具有開槽的插針式中心導體或帶孔的中心導體。

同軸連接器

圖6:集成引腳0.6mm法蘭到WR5的在線墊片過渡

同軸連接器

圖7:集成孔0.6毫米法蘭到WR5的在線墊片過渡

同軸連接器

圖8:0.6毫米法蘭到WR5直插墊片過渡的放大圖

過渡墊片的厚度限制為0.9毫米,這是因為可用長度的立銑刀來生產內部零件。集成的引腳是實心的,沒有開槽。

由于波導是高通結構并且不需要通過直流,因此使集成的引腳開槽是不可行或不必要的。 集成引腳與帶凸緣的中心導體的滑動配合連接為整個波導帶上的信號傳輸提供了足夠的電容耦合。

使用CST Microwave Studio構建了完整的3D電磁模型,并且對包括波導過渡在內的帶法蘭同軸中心導體的集成引腳直徑進行了徑向掃描,對傳輸和反射參數幾乎沒有不利影響(圖9至11)。隨著引腳直徑的減小和電容耦合的減小,|S11|在WR5頻段的140 GHz處衰減。

同軸連接器

圖9:具有集成引腳的0.6mm同軸到WR5波導過渡的3D EM模型

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圖10:|S11|的參數掃描與頻率的關系,通過改變直徑為710萬密耳孔內實心銷來確定。

同軸連接器

圖11:|S21|的參數掃描與頻率的關系,通過改變直徑為710萬密耳孔內實心銷來確定。

具有標準UG-387/UM接口的WR5波導通過過渡墊片的波導側連接到:1)使參考平面遠離勻場過渡步驟,2)允許通過過渡段和法蘭同軸接口扭曲通孔的端部,并允許將波導設備連接到通孔的另一端,3)提供更精確的矩形波導界面,其超出墊片0.127 mm角半徑和過渡臺階的范圍。

圖12顯示了完整的組件,圖13顯示了測得的反射和透射響應的曲線圖。使用Anritsu Vectorstar VNA的1端口UFX(通用夾具提取)高級去嵌入功能進行電氣測量。

同軸連接器

圖12:Anritsu的35WR5G適配器的組裝,顯示了0.6mm同軸到WR5過渡墊片和波導殼體

同軸連接器

圖13:Anritsu的35WR5G 0.6毫米同軸轉WR5適配器的反射和傳輸響應

5、法蘭同軸電纜到1毫米(W)和0.8毫米適配器

我們開發了1毫米(W1)和0.8毫米同軸到法蘭適配器,以方便標準同軸連接器類型的連接。 這些適配器由兩個薄墊片(例如外部導體)構成,用四個凹入法蘭側表面的平口螺釘螺栓固定在一起。另一側裝有外螺紋連接螺母。兩個墊片之一用作中心導體磁珠支撐架。兩種墊片都必須相對較薄,以使總裝配長度保持最小,并且孔的長度與直徑之比小于10。將這些適配器設計為螺栓連接組件而不是壓配合組件,可以精確調整銷的深度和同心度,并提高制造良率。圖14顯示了兩件式1 mm(W1)至0.6 mm的同軸法蘭組件。

同軸連接器

圖14:Anritsu的33WG50 0.6毫米法蘭對1毫米(W1)同軸兩件式適配器。該圖顯示了0.6毫米法蘭側。

同軸連接器

圖15:Anritsu的33WG50 1毫米(W1)同軸至0.6毫米法蘭適配器的反射和傳輸響應

6、法蘭同軸探頭

法蘭同軸晶片探針是與MPI合作開發的,可使用Anritsu的ME7838G矢量網絡分析儀系統促進70 kHz至226 GHz連續掃頻晶片上測試。探頭從法蘭接口到下端都采用連續的同軸結構。

地面信號地面(GSG)探針頭。這種連續的同軸結構使探頭更短,通量損失最小。探頭的法蘭接口可將其直接連接到Anritsu MA25400A反射儀模塊的法蘭接口,而無需任何適配器或電纜(圖16)。

同軸連接器

圖16:使用直接連接到Anritsu的MA25400A反射儀模塊的MPI法蘭同軸晶片探針進行的兩端口晶片探針測量。

7、結論

標配標準螺紋連接螺母同軸連接器不適用于外徑小于0.8 mm的外部導體的連接器。中心導體和外部導體的加工限制要求采用其他方法來設計連接器接口、連接器和適配器組件。相對較重的波導組件(在110 GHz以上使用)的流行需要堅固的同軸連接接口,該接口應具有外部導體,該外部導體在垂直負載下不會相對于連接器軸彎曲。機械堅固的法蘭同軸接口還具有與使用同軸同軸到波導過渡墊片的標準UG-387/UM波導接口匹配的額外好處。

 

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