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