制造技术机械工程与工艺
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典型射频同轴连接器的界面尺寸测试
虎哥 2018-5-24 23:27:35

最近忽然来了兴趣,想看下几种市售连接器的界面尺寸,搞了个比较通用的高度表。以前也发过一个测试,是用的专门的界面表,但这种表通用性差,一表一用,很多测不了。用高度表换不同的测针基本可以通用于所有连接器(个别因为无法直立在平板上,或者存在塑料件、弹性件等无法确定的因素,难以测量或需专用工装)。

首先通俗的解释一下。早期的射频连接器和现在的基本类似,都采用插针插孔接合,但是它的电气接触思路是插针和插孔的侧面接触,尺寸精度要求不高。由于电流路径在接触处要变径转弯,连通效果不佳,当频率较高时驻波偏大。后来革新为端面接触思路,尽管有些连接器依然有插针插孔,但设计思想上,这种结构只是为了准确定位及传输较低频率,连接器的主要目标是确保介质尺寸连续,从而保证阻抗的连续性,波导表面通过端面延续(微波在同轴连接器中依然是通过介质传播的)。这种连接器叫做端面连接器,是目前的主流,能够工作到较高频率。

既然通过端面传输,端面位置的准确度是连通效果的基本保证。以N型连接器为例,对高频而言,它的有效接触部分其实是芯针上的台阶与芯孔的端面。芯针过长,连接时端面和台阶会相互挤压,发生变形影响阻抗连续性,严重时会发生损坏。芯针过短,端面距离过远,相当于芯线直径忽然变细,也影响阻抗,比如N型连接器,一个0.15mm的缝隙,就会使回波损耗的极限值在18GHz时恶化为33dB。最佳的状态是端面和台阶0误差的刚刚接触[1,公式11-12],但实际上这种情况不可能存在。

为了批量生产的可行性,通常端面必须有一定距离,当然这个距离在机械工业可以允许的范围内越短越好。机械加工(包括装配)精度越高,就越能允许缩小该距离。例如,一个连接器设计端面距离为0-50μm,如果均匀分布公差,当要求100%合格、可互换时,两端公差就应该标注为(0,-25μm)。这段25μm的公差,又需要分解到芯针、绝缘子、外导体的各处台阶、装配工艺等几个方面。相对而言,芯针(内导体)和外导体都有成熟的精密机床用以保证精度,目前高品质连接器普遍使用日本西铁城的CNC自动车床(国内称走心车床)加工,其精度能到微米量级。而绝缘子没有太多好办法,如果使用后加工塑料绝缘子,精度几乎完全没有保障,公差只能放大到0.1mm量级,这就是普通连接器的现状。对于标准试验连接器,绝缘子多采用金属镶嵌注塑工艺生产,精度较高,是目前N型校准级连接器的常用办法,比如下面测试的IFR和安捷伦校准负载。如果采用坚硬的材料(如玻璃),也可以绝缘子与芯针嵌合后整体加工来保证精度,但成本就高得离谱。

微波领域到了最后其实就拼两个工业实力,一个是半导体,一个是精密机械。而半导体工艺的水平(也包括真空管)其实也是由精密机械(包括光学机械)的水平决定的。

下面是测试情况,首先是测试环境

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  这是罗森博格的直通连接器,先在一个界面上归零。(以后图片均略过归零这一步,直接看结果)

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  罗森博格2

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 老HP的衰减器

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 另一头。

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 科创定制的连接器,这只在错误的方向超差,要问候供应商老母。

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  另一面(SMA),该面误差太大,说明定位错误(向N面滑出)。

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科创设计定制的2.92连接器。

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 安捷伦校准件(短路器)

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 科创生产的校准件(短路器)

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 美国IFR公司生产的校准负载

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 安捷伦生产的校准负载(909F,为了避免塑料变形影响测量,拆掉了塑料盖)

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 瑞士HS公司生产的N/SMA转接器,反方向超差。这只比较旧,可能是芯针老化滑动了。

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 另一面(N),看起来是芯针滑进去了。

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 国产扬州精诚的普通连接器,误差方向错误(全新开封、多只都是这样,因此不能用年久老化或者偶然问题来解释)。该面只能偏大(参考上面进口件),不能偏小,否则会损伤对方连接器。

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 扬州精诚的另一种通用连接器,也在错误的方向超差。

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 SMA面,在所有被测连接器中,芯针定位精度最差。

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 还是扬州精诚的连接器(N/BNC),公差方向错误。扬州精诚在通用连接器领域是国内最好的厂商之一,其它厂家可能更糟。曾有一知名厂给我们发来的图纸,连基准面都画错了。

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 BNC面。误差方向错误,该面只能偏小,不能偏大,否则也会顶坏对方连接器。而且同一只连接器,芯针两头都向外凸,这就不是定位问题了,而是设计错误或者加工错误。

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 这是2级(比较普通的)BNC连接器的标准,可以看出放得很宽(4.55-5.23),但不允许大于5.23(其实可以大一点,见下图)。

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 这是试验校准用BNC连接器的标准,可以看出要严格得多(5.21-5.28),其中金属芯允许5.28,介质允许5.23,与上图相反。这个也不排除是制定标准的人没搞清楚,因为国家军用标准上细究起来问题多如牛毛,所以不太好说。

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 下图是罗森博格的SMT连接器,额。。

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 用古董量块比对一下(密玉量块已淘汰,主要是因为这东西来源于天然材料,性能就有随机性,难以标准化。不过除此之外基本上都是优点),结果不管什么尺寸,都差大约5μm,可能是平板的表面粗糙度导致的(归零时直接测平板,压迫的面积小。玉石量块面积大,表面镜面磨削而成,没有这个问题)。该25mm量块不确定度据说是1μm,也可能是这个不准,不过5μm对于连接器来说足够了。

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另外需要说明的是,采用界面规理论上会更准确,因为插针插入连接器后会把连接器胀开,此时的界面尺寸才是使用状态的尺寸。没胀开的时候,芯针表面应为斜面。到底以哪个为准,国军标上没有这方面考虑。

参考文献:

1、T. E. MACKENZIE AND A. E. SANDERSON:Some Fundamental Design Principles for the Development of Precision Coaxial Standards and Compcments.SENIOR MEMBER, IEEE,1966.

文献下载:Precision Coaxial Standards.pdf0次下载
 

[修改于 7 个月前 - 2018-05-26 00:00:45]

2018-5-25 08:39:02
1楼
0

一直不明白如何测量这么小的长度值的,光棚?压力变形?还是用激光测距?

虎哥(作者)
2楼
0
引用:航模发烧友 发表于1 楼的内容:
一直不明白如何测量这么小的长度值的,光棚?压力变形?还是用激光测距?

这个千分表看起来是光栅原理,内部有玻璃镜片,拆机图如下。具体是啥就不清楚了。目前的话,一般高精度长度测量采用激光干涉仪,中等精度用比较法。

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[修改于 7 个月前 - 2018-05-26 01:26:15]

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盖世豪杰
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