射频连接器的设计和测试技术研究

论文摘要

为满足信息技术发展的需要,在信息传输中起连接作用的关键元件-射频同轴连接器呈现向小型化、高频率、大功率和高可靠性发展的趋势,特别是通信基站用射频连接器,在电压驻波比、射频泄漏、功率容量等方面还有较高的要求。本课题首先就射频连接器设计中的关键理论和技术进行了分析和论证,重点就传输线方程及其解,传输线的工作状态做出了阐述。目前国内对射频连接器的S参数仿真技术研究较少,有鉴于此论文对射频连接器的Ansoft HFSS仿真进行了研究,诸如电气长度,反射损失,插入相位及如何通过评估TDR降低S1 1,不连续电容及电感的补偿等。由于SMA连接器使用范围广,其结构具有一定的通用参考价值,论文在上述仿真研究的基础上,计算和设计了标准尺寸的SMA射频连接器中心导体常用的倒扣和滚花补偿尺寸,使回损提高了10-15dB,对于SMA系列连接器的设计,具有较好的实际参考价值。在Ansoft HFSS中,不仅对S参数仿真进行了研究。还采用专门用于功率仿真的模块Ephysics,研究了不同的负载和散热条件,仿真射频连接器的温度分布,找出系统耐热薄弱点以便分析改进。结合以上仿真研究成果及理论计算,开发了一款对电气长度,VSWR有严格要求的SMA的电缆组件和相应的板端射频连接器。由于在连接器中,多支撑、多阶梯、多介质是影响VSWR的主要原因,论文通过HFSS分析TDR曲线来降低射频同轴连接器的电压驻波比。对轴向不连续电容进行了计算和仿真补偿,使阻抗呈电阻性。同时,对连接器内外导体间的耐压及峰值功率进行了计算,使连接器的内外导体间的耐压满足技术协议的要求。对板端连接器,开发了测试PCB。并重点对PCB板端连接器的测试方法进行了对比,包括直接用转接器的方法,开发专用PCB的方法和TRL校准的方法。研究了各种方法的特点,应用场合等。论文进一步利用偏微分对机械制造公差,中心导体偏心等对电器性能的影响进行了分析,导出相应的计算公式。在随后的样板制作过程中,对首件进行了电气性能检查,发现一些常见的失效模式,并对其进行矢量网络分析仪的测试和分析,经过改正后,完成了整批样板的制作,避免了前期试量产的风险。最后对开发的电缆组件和板端连接器批量样板做验证试验,包括电气性能,环境及机械性能等。综合设计及测试结果,产品符合开发合同中规定的技术及可靠性要求,可以交付使用。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 射频连接器发展概况
• 1.1 射频连接器简介
• 1.1.1 微波简介
• 1.1.2 微波的特点和应用
• 1.1.3 射频连接器是传输微波的关键元器件
• 1.2 射频连接器的发展方向
• 1.2.1 小型化、微型化
• 1.2.2 高频率
• 1.2.3 多功能
• 1.2.4 高性能、大功率
• 1.3 射频连接器的发展现状
• 1.4 本课题工作概述
• 2 同轴连接器中传输理论分析
• 2.1 同轴传输线方程及其解
• 2.1.1 同轴传输线的电路分布参数方程及其等效电路
• 2.1.2 同轴传输线方程的解
• 2.1.3 传输线入射波和反射波的叠加
• 2.1.4 传输线传播常数
• 2.1.5 传输线相速和波长
• 2.1.6 传输线特性阻抗
• 2.1.7 传输线反射系数
• 2.1.8 传输线输入阻抗
• 2.1.9 传输线的传输功率和效率
• 2.2 传输线工作状态分析
• 2.2.1 行波工作状态
• 2.2.2 驻波工作状态
• 2.2.3 行驻波工作状态（部分反射情况）
• 2.3 电气长度
• 2.3.1 概述
• 2.3.2 电气长度的概念和计算
• 3 射频连接器的 Ansoft HFSS 仿真设计应用
• 3.1 软件仿真的优势
• 3.2 Ansoft HFSS 简介
• 3.3 场显示
• 3.3.1 电场强度的显示
• 3.3.2 磁场强度的显示
• 3.4 优化补偿
• 3.4.1 容性补偿
• 3.4.2 感性补偿
• 3.5 标准 SMA 内导体补偿研究
• 3.5.1 倒扣的补偿
• 3.5.2 滚花的补偿
• 3.6 不规则形状的几何形状的仿真
• 3.6.1 不规则的导体
• 3.6.2 不规则的腔体
• 3.7 功率的仿真
• 3.8 插损的仿真
• 4 SMA 电缆组件和板端射频同轴连接器的设计
• 4.1 概述
• 4.2 射频同轴连接器设计原则
• 4.3 SMA 电缆组件和板端射频同轴连接器的设计
• 4.3.1 连接器内外导体尺寸的计算
• 4.3.2 截止波长和频率
• 4.3.3 轴向不连续电容的产生及计算
• 4.3.4 内外导体间耐压的考虑
• 4.3.5 传输功率的考虑
• 4.3.6 电缆组件电气长度
• 4.4 板端连接器测试 PCB 的开发
• 4.4.1 板端连接器的测试方法
• 4.4.2 测试 PCB 的开发
• 4.5 材料的选择和注意问题
• 4.5.1 材料和电镀的选择
• 4.5.2 机械加工对 VSWR 的影响
• 4.5.3 内外导体装配不同心对 VSWR 的影响
• 5 SMA 电缆组件和板端射频同轴连接器的失效分析
• 5.1 射频同轴连接器、电缆组件的失效模式及机理
• 5.1.1 连接失效
• 5.1.2 反射失效
• 5.1.3 电接触失效
• 5.1.4 电缆组件的失效
• 5.2 提高射频连接器可靠性的要素
• 5.2.1 设计奠定了产品的可靠性
• 5.2.2 加工保证了产品的可靠性
• 5.2.3 正确使用保持产品的可靠性
• 6 SMA 电缆组件和板端射频同轴连接器的实验验证
• 6.1 实验方案
• 6.2 实验过程和结果
• 6.2.1 外观和机械检查
• 6.2.2 插入力和分离力
• 6.2.3 绝缘电阻
• 6.2.4 接触电阻
• 6.2.5 螺丝环（coupling nut）保持力和扭矩
• 6.2.6 介质耐电压
• 6.2.7 功率容量
• 6.2.8 盐雾
• 6.2.9 电压驻波比和插入损耗
• 6.2.10 射频泄漏
• 6.2.11 连接器的耐久性
• 6.2.12 温度冲击
• 6.2.13 振动
• 6.2.14 机械冲击
• 6.2.15 回流焊温度试验
• 6.2.16 可焊性试验
• 7 总结与展望
• 7.1 总结
• 7.2 展望
• 符号清单
• 缩略语
• 致谢
• 参考文献
• 攻读学位期间发表的学术论文目录