微帶類射頻同軸連接器模塊化測試方法研究

李佳霖

(陜西華達科技股份有限公司，陜西西安，710065)

1 前言

微帶類射頻同軸連接器通常使用在需要模式轉換的射頻系統中，比如微帶線或帶狀線到射頻同軸結構的轉換、波導腔到射頻同軸結構的轉換。雖然連接器的技術狀態固化且唯一，但隨著應用形式的不同，連接器與測試系統的兼容性會有很大差異。本文將就微帶連接器的典型應用形式提出模塊化測試方法，通過理論分析和仿真驗證結合的方式證明其可行性。

2 微帶類產品的測試需求

以SMA型微帶連接器為例，按照GJB5246中圖33 SMA系列插孔接觸件連接器界面的要求，如圖1所示，連接器內導體直徑范圍為Φ1.24mm～Φ1.29mm。當連接器使用在DC～18GHz時，為了減小內導體直徑變化引入的不連續電容，微帶外露部分最大直徑范圍通常為Φ0.5mm～Φ2.2mm。本文將此類產品為例，設計一種自適應不同長度、不同直徑的模塊化測試方法，通過仿真驗證其可行性。

3 模塊化測試方案總體目標

微帶連接器屬于批產型產品，產量很大，要求模塊化測試方案主要圍繞以下三點進行設計：

(1)直插式快速測試；

(2)不同測試方案可快速更換；

(3)適應多種形狀和外露尺寸。

微帶連接器產品使用環境主要以PCB類為主，所以模塊化設計方案的總體目標為：一種PCB滿足不同尺寸外露內導體的測試。

3.1 建立參數化模型

3.1.1 連接器參數化建模

根據SMA型微帶連接器結構特點建立傳輸段模型如圖2所示，其中外露部分為參數化尺寸，L取值范圍：0.5mm～10mm，d取值范圍：0.3mm～2.2mm。

3.1.2 PCB類測試模塊參數化建模

3.1.2.1 PCB種類選擇

微帶連接器應用于PCB時，通常用于微帶線和帶狀線，微帶線位于PCB表面便于批量測試，測試效率高；帶狀線位于板間，需要鉆孔露出傳輸線?？紤]到測試效率，模塊化方案采用微帶線進行設計。

3.1.2.2 PCB設計

PCB采用50Ω微帶傳輸線，參數化模型如圖3所示。

圖3 微帶傳輸線參數化模型

尺寸W為微帶線寬度，根據連接器外露內導體直徑d最大值2.2mm，W寬度確定為2.5mm。根據傳輸線理論，微帶傳輸線特性阻抗計算公式如下：

計算得到h=1.55mm。

3.1.2.3 自適應板上結構件設計

要達到方案的總體目標，需要解決不同尺寸內導體與PCB的匹配問題。PCB微帶寬度2.5mm，連接器外露內導體直徑Φ0.3mm～Φ2.2mm，長度0.5mm～10mm，需要設計一種板載結構件能夠包絡以上尺寸范圍的同時還能保證與微帶線接觸可靠，這就需要同時解決徑向和軸向接觸問題。

3.1.2.3.1 解決徑向接觸問題

連接器外露內導體直徑范圍Φ0.3mm～Φ2.2mm。如圖4所示，板載結構件采用內爪結構，連接器內導體自任一端插入，內部彈性爪可保證連接器與結構件緊密接觸，可以保證不同直徑連接器內導體插入后緊密接觸。

圖4 板載結構件

如圖5所示，結構件采用夾板式設計，意圖通過穿板夾持的方式使結構件與微帶線緊密接觸。

圖5 結構件插裝示意圖

3.1.2.3.2 解決軸向接觸問題

連接器外露內導體軸向長度范圍0.5mm～10mm，要保證最短內導體有效接觸，內爪凹陷深度不得大于0.25mm，優化后結構件如圖6所示。

綜上所述，板載結構件采用穿板夾持的方式解決結構件與PCB的接觸問題；結構件內部通過自適應內爪解決微帶型連接器外露內導體徑向、軸向適配的問題。模塊化測試結構總體結構示意圖如圖7所示。

圖6 優化后結構件

圖7 模塊化測試結構總體示意圖

4 仿真驗證

建立測試結構電磁仿真模型，仿真分為三個步驟：

步驟1：連接器傳輸段仿真；

步驟2：PCB微帶線仿真；

步驟3：連接器、板載結構件、PCB三者聯合仿真。

4.1 連接器仿真

圖8 連接器模型

圖9 VSWR仿真結果

圖11 傳輸段TDR仿真結果

連接器選擇典型的SMA型微帶連接器，模型如圖8所示，介質介電常數2.05，內外導體直徑比3.3，理論計算傳輸段阻抗49.1Ω。VSWR仿真結果如圖10所示，VSWR<1.03；TDR如圖11所示，未對雙端口進行歸一化處理的情況下，傳輸段阻抗介于49.15～49.33之間，滿足50Ω±0.2Ω的匹配要求。

4.2 PCB仿真

板材選擇FR4，微帶線按照3.1.2.2計算結果建立模型，如圖12所示。要求仿真起止頻點DC～18GHz，理論計算值為最高頻點值，根據傳輸線理論，降低介質板厚度可提高帶寬。設置介質厚度參數范圍為0.2mm～1.5mm在DC～18GHz內進行參掃，參掃結果如圖13所示，可見介質板厚0.9mm時在DC～18GHz頻段內貨得最優解，介質板厚0.9mm時VSWR如圖14所示。

圖12 PCB模型

圖13 VSWR參掃結果

圖14 板厚0.9mmVSWR結果

4.3 聯合仿真

圖15 組合體仿真模型

圖16 組合體仿真結果

將連接器、PCB、板載結構件三者組合建模，模型如圖15所示。電壓駐波比仿真結果如圖16所示。

由于連接器內導體與板載結構件緊密接觸，組合成一個板載接觸件，故連接器外露內導體的直徑和允許范圍內的長度變化并不會對電壓駐波比造成影響，仿真結果較單體連接器增加約0.1，符合實際情況，仿真有效。

5 結論

綜合以上理論計算和仿真驗證的方法，證明了直插式PCB板載結構件可有效包絡不同尺寸的SMA外露微帶，仿真結果達到設計要求。同時，此類板載結構件可根據不同產品匹配各類PCB測試板，提高了測試效率的同時，大大減少了測試工裝夾具的種類，實現了模塊化、高效、無損測試的功能，可大范圍推廣應用。