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新型D波段0.8mm同轴连接器研究
材料来源:《微波杂志》2019年3/4月号           录入时间:2019/4/22 9:00:26

New 0.8 mm Connectors Enable D-Band Coaxial Measurements

作者:Charles Tumbaga,译者:陈刚

安立公司,美国加利福尼亚州摩根希尔

电子技术的不断发展,正推动着通信数据传输速率的不断提高,而这意味着需要更大的带宽。为了得到更大的带宽,通信系统就必须往高频发展;而向高频的迁移,对射频连接器的性能也提出了更高的要求。

W波段即75~110GHz的应用在过去的数年中已经得到了长足的发展,比如自动驾驶汽车雷达、无线通信回传等。为了满足现在及未来的产品发展需求,设计和开发超过110GHz即D波段的宽带器件是很有必要的。安立公司紧跟发展潮流,首先推出了0.8mm的射频连接器。

对于一个新的应用频段,对应的射频连接器向来都是先于或者同步于那些应用于新频段的测试测量设备开发的。比如K、V和W1型连接器,都已经在新的测试测量设备中得到了应用。有时候,在射频连接器出现数年之后,对应的设备才被设计出来,例如将同轴测量系统扩展到110GHz频率的1.0mm射频连接器。

通常波导会被用于高频系统的内部连接。虽然,波导传输信号时的插损很小;但是,它并不是最优的选择。作为一个带宽受限的设备,波导并不具有宽频覆盖能力和单扫描测量能力。对于任意一个覆盖从低频到110GHz的高频毫米波的宽带系统,波导在其中的应用都增加了系统的复杂度。

同轴连接器是个更优的选择,尤其是在测试和测量系统的内部连接中。因为它们具备了单扫描能力,同时在对器件和频率的测试测量中用起来也很简单。同轴连接器之间的互连减少了阻抗的变化,若换成同轴转波导的结构,将会给测量带来不确定性。

设计原理

为了更简单地理解0.8mm连接器的设计原理,可以先了解连接器的电气和机械结构特性。IEEE P287阐述了DC~110GHz的精密同轴连接器的标准,尤其是上至1mm的所有连接器的电气和机械结构特性。在这个标准里并没有0.8mm连接器的相关规定;但是随着未来110GHz以上频率应用变得越来越重要,0.8mm连接器很显然也将会被该标准收录。连接器的电气特性描述了它的频率覆盖范围和阻抗特性;机械结构特性则描述了如何实现重复使用和连接功能。总之,罗列在数据手册中的这些产品特性,就是设计时需要考量的重要参量了。

连接器的上限使用频率由下列公式计算所得:

其中,fc是空气介质中的传输截止频率,c是光速(300000km/s),ϵr是相对介电常数,μr是相对磁导率,λc是线长[1]。对于0.8mm连接器,假设在理想的空气介质中,fc差不多是166GHz。当然,这个最大频率是很难达到的;实际可用的频率大概是这个理想频率的八九成左右,这主要是因为连接器中位于空气和不同材料之间的起传输作用的部件会产生谐振,这将会降低传输截止频率。尽管0.8mm连接器无法实现理论上的最大频率,但是,经过计算,145GHz的实际可用频率依旧有较大的价值。表1[2]罗列了常用的射频连接器的部分参数,其中也包括0.8mm连接器。

阻抗特性是个重要的电气指标,因为通信系统基本上都是围绕着如何减小阻抗失配而设计的。对于这些连接器来说,50Ω是个标准阻抗值;设计时,需要保证连接器及其内部的连接部分的阻抗都尽可能接近这个标准值。尤其是用于DC至110GHz以上频率的连接器,阻抗必须要得到很好的控制。为了保证阻抗在可接受的范围内,连接器的中心导体和外围绝缘体支撑珠(support bead)就显得尤为重要。

连接器协议规范中会定义绝大多数的机械结构特性,例如IEEE P287中就对连接器的螺纹公差、线径和尺寸等机械结构特性进行了描述。这类协议规范保证了不同制造商的连接器能够通用。尽管规定了这些结构要素,但是为了保证良好的性能,连接器的更加详细的参数也会被定义,比如开槽与否,是否支持盲插以及最终产品的环境特性等。

0.8mm连接器

超越W波段之后,对新连接器提出了新要求,如计量级的小插损、在期望的上限频率实现无高次模等。满足这些要求并不简单,需要反复的设计确认。1.0mm和0.8mm的连接器有些相似之处:有着相近的结构尺寸,物理外形也有些类似。但是,如图1所示,二者的内部却大相径庭。尽管可以借鉴1.0mm连接器的技术,但是0.8mm连接器依旧需要进行一些新设计,从而得到更优的性能。

11mm连接器(a)与0.8mm连接器(b)的结构对比示意图

在频域中,好的连接器会尽可能降低插损、确保系统插损的冗余量。而接头处的未知阻抗变化甚至在信号到达待测件之前就会引起反射、影响插损。而这些信号在接头处应该是不受影响的。同样的,阻抗变化在时域也是个重要的参量,所以,接口处的眼图应该有最佳的开口,从而确保传输信号清楚而不受干扰(眼图是可以表征工作在毫米波频段数字电路信号质量的图形)。无论是射频信号还是高速数字信号,连接器都应该像透明的一样,不会对信号的测量产生影响。

如何使连接器的工作频率超过110GHz并具有良好的阻抗匹配、计量级性能和机械设计,使其耐用且性能良好?这需要准确定位频率超过110GHz后影响性能的机械结构问题,用组装好的连接器进行量化计算和相关的模拟,并探究用于新组件的材料。由于相关设计涉及的范围非常广泛,本文将重点讨论机械结构问题和新的装配方法。

同心度与阻抗

两个连接器通过针、孔相连之后就能传递信号,这是进行数据传输的起点。已发表的文献描述了将频率高达110GHz的连接器相连的各种机制。通常,没有描述的是,设计师必须考虑可重复性和合适的同心度,因为针、孔的尺寸都变小了。连接器的性能只取决于它与另一个连接器的对接精度。同心度描述了公头或母头对接的准确度。理想情况下,同心度应该是100%。如果没有足够的同心度,就不可能进行准确的对接,连接器的损坏将是不可避免的(见图2)。

2:公型连接器剖面图:完全同心(a),未完全同心(b

同心度是一个机械参数,它将影响连接器的电气性能。确保合适的同心度的一个方法是准确评估各个组件。对于1.0 mm的连接器,这些组件是螺纹的,易于制造。螺纹组件消除了对非常小公差的要求。在这种情况下,同心度就显得不那么重要了。但是,0.8 mm连接器要求在更大的频率范围内(理论上最高可达166 GHz)保持精度,所以公差不能被放宽。装配公差将决定针或孔是否完全位于连接器的中心,因此装配必须考虑到这一点。压合0.8 mm的零件是螺纹装配的另一种选择。压合连接器允许较短的连接器,并提高同心度,因为从参考平面到支撑珠的距离较短。

从螺纹连接改为压接,下一个障碍是如何控制阻抗,选择合适的内部材料保证阻抗接近50Ω。0.8mm连接器,像大多数高频连接器一样,有一个需要支撑珠的中心导体,这是连接器和外壳设计中不可缺少的一部分。数种支撑珠可以支持连接器的中心导体,具有不同的阻抗特性和介质特征。支撑珠必须提供足够的机械可靠性,并尽量减少反射。支撑珠的设计是整个电气性能的关键,其关键参数是阻抗。在连接器中间和射频信号通路上的中心导体的支撑珠上有模拟空气介质的孔。通过严格的公差控制阻抗,尽最大可能降低对信号的影响,同时使得支撑珠阻抗尽可能接近50Ω,避免引起信号反射和降低连接器的性能(参见图3)。

3:普通支撑珠(a)会反射射频信号,阻抗控制的支撑珠(b)的反射最小

在设计0.8 mm连接器之初,我们测试了各种支撑珠,发现许多种类,包括玻璃,的阻抗公差为标称值的5%。对于计量级连接器,阻抗控制必须优于5%。这个珠子在测量时应该是“透明”的。经过大量的测试和研究,安立研制出一种获得专利的高温支撑珠,具有良好的VSWR和较低的插入损耗,同时保证了机械稳定性和环境特性。使用Anritsu专有的支撑珠使0.8毫米连接器在145 GHz时的典型插入损耗为0.5 dB。

另一个设计考虑是这种连接器是否与1.0 mm连接器兼容。最终,0.8 mm连接器与1.0 mm的连接器不兼容,因为在连接时会损坏。解决这个问题的方法是在连接器上添加细线,以防止0.8 mm连接器与1.0 mm连接器发生误连,同时防止连接器在运行过程中变松。

测试结果

经过多次设计和评估,最终0.8 mm连接器从低频到145 GHz的典型插入损耗为0.6 dB。在连接器中实现这一性能后,Anritsu将相同的技术应用于电缆和转接器。用145GHz矢量网络分析仪(VNA)测试0.8 mm母头到母头转接器,得到其插入损耗小于0.5 dB,且具有良好的线性相位响应(见图4)。

4Anritsu 0.8 mm母到母转接器从100 MHz145 GHz的测量结果:插入损耗(a)和相位(b

为了评估0.8 mm连接器在数字系统中的时域性能,图5显示的是90Gbps信号经过Anritsu的母到母转接器的眼图效果;图6显示了一个90Gbps的PAM4信号,这两个信号都是用带非归零码和PAM4眼图功能的VNA测量的。这两个测试结果都表明了这种转接器在高速数字信号下表现出了优异的性能。

5Anritsu 0.8 mm母到母转接器90 Gbps眼图测试结果

690Gpbs PAM4信号穿过Anritsu 0.8 mm母到母转接器后的测试结果

可用性

安立的0.8mm连接器提供从DC到145 GHz的计量级性能,是目前市场上唯一的0.8mm连接器。Anritsu正在将该平台集成到新的组件和测试系统中,如螺纹插入式连接器、电缆和测试设备。0.8 mm对插连接器能够覆盖DC到145 GHz,插入损耗为0.7 dB(典型值)。Anritsu已经开发出带有0.8 mm公到母连接器的铠甲型半刚性电缆,长度分别为10厘米和16厘米。这些电缆具有良好的插入损耗和回波损耗。

集成了0.8mm连接器的Anritsu测试设备可以满足同轴频率覆盖到145 GHz。VectorStar系列矢网具有可选的毫米波模块和0.8 mm连接器,最大频率覆盖范围从70 kHz到145 GHz。VectorStar系列矢网的0.8 mm校准套件包括计量级转接器和其他高性能校准件。

参考文献

[1] Collier, R. J., & Skinner, A. D. (2007). Microwave measurements (3rd ed.). Stevenage: Institution of Engineering and Technology.

[2] Oldfield, B (2007). The Importance of Coax Connector Design Above 110 GHz. Anritsu Co., https://dl.cdn-anritsu.com/ja-jp/test-measurement /reffiles/About-Anritsu/R_D/Technical/E-22/22_07.pdf


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