Выход за пределы 100 ГГц с помощью коаксиальных разъемов

В связи с тем, что микроволновая технология достигает «трехзначных» частотных диапазонов с помощью коаксиальных компонентов и испытательного оборудования, коаксиальные разъемы представляют собой одну из важнейших отправных точек для разработчиков компонентов.

Частота коаксиальных разъемов продолжает расти, а размеры становятся все меньше, отчасти благодаря развитию испытательного оборудования, такого как векторные анализаторы цепей (ВАЦ) для использования на более высоких частотах. Но создание надежных коаксиальных разъемов для более высоких частот - это не просто вопрос уменьшения размеров разъема и разработки новых интерфейсов разъема. Разъемы, достигающие более высоких частот миллиметрового диапазона, были поддержаны достижениями VNA, а также прочной механической конструкцией сужающихся компонентов разъема - до такой степени, что тестирование коаксиального VNA на частоте 100 ГГц и выше становится почти тривиальным.

По мере роста частоты коаксиальных разъемов они исторически полагались на два подхода к сопряжению центральных проводников: гермафродитный контакт и контакт «вилка-штифт / паз-охват». Неполный подход дает много преимуществ, главное из которых состоит в том, что требуется только один тип соединителя. По мере увеличения частот эти разъемы уменьшались, чтобы оставаться в одномодовом режиме.

Успех разъема SMA, по сути, предсказал конец разъемов без разделения по полу. По мере того, как разъемы становились меньше для использования на более высоких частотах, изготавливать стыковые разъемы становилось все труднее - допуски на глубину штырей были критическими, а меньшие размеры затрудняли достижение упругого контакта. Такие факторы могут значительно повысить стоимость разъемов по сравнению с простым контактом «вилка-штифт / гнездо».

Подход «папа-мама» стал стандартом для разъемов на высоких частотах. Для метрологических приложений была представлена ​​конструкция с гнездом без слотов, но она стала непрактичной после подключения 2,4-мм разъема на 50 ГГц. Однако щелевые разъемы не без проблем. Такие конструкции, как разъем SMA и его двухпозиционный гнездовой контакт, недороги в производстве, но их легко повредить. Полукруглый элемент не очень гибкий, и разъем SMA изначально рассчитан на срок службы всего 500 подключений. Конструкции SMA с длинным штыревым контактом, который позволял центральным проводникам входить в зацепление до того, как внешние проводники выровняли разъемы, означали, что небрежное соединение может повредить охватывающий контакт.

Контакт с четырьмя гнездами намного более устойчив, например, те, которые используются в разъемах 3,5 мм, предназначенных для совместимости с разъемами SMA. Эти прецизионные соединители с их конструкцией радиоинтерфейса были необходимы для калиброванного ВАЦ, но у них были свои проблемы. Для совместимости с SMA размер штыря был установлен на 0,914 мм (0,036 дюйма). Диаметр центрального проводника разъема 3,5 мм составляет 1,52 мм (0,060 дюйма), что создает две проблемы.

Во-первых, толщина стенки охватывающих пальцев составляет 0,3 мм (0,012 дюйма), что довольно много для контакта такого малого диаметра. После прорезания пальцы закрываются и деталь подвергается термообработке. Если замкнуть слишком мало, контакт будет ненадежным. Если закрыть даже немного слишком сильно, усилие вставки, необходимое для сочленения разъемов, станет довольно большим.

Такая высокая сила приводит к чрезмерному износу и может когда-либо деформировать опорные борта, удерживающие центральные проводники на месте. Большая толщина стенки 3,5-мм разъема привела к большему отражению зазоров между выводами. Полное сопротивление секции зазора составляет 80 Ом. Участок линии с более высоким импедансом, созданный оголенным штырем, также дает отражение в зазоре штыря.

Коннектор K 2,92 мм 40 ГГц, представленный примерно в 1985 году, сводил к минимуму многие из этих проблем. Короткий штыревой штифт гарантировал, что до того, как центральные проводники могли войти в зацепление, внешние части проводника выровняли два разъема, так что штырь с вилкой не мог повредить охватывающую часть, вставляясь под углом. Диаметр центрального проводника разъема K был разработан как 1,27 мм (0,050 дюйма), что привело к толщине стенки пальца 0,18 мм (0,007 дюйма). Это означало, что пальцы стали более гибкими, и давление введения значительно уменьшилось. В результате разъемы K были рассчитаны на 4000 подключений.

Интерфейсы разъема 50 ГГц 2,4 мм и 65 ГГц 1,85 мм были представлены компанией Agilent Technologies . Выпуск коаксиального анализатора цепей 50 ГГц компании потребовал разработки интерфейса разъема 2,4 ГГц для поддержки частот миллиметрового диапазона.

Соединитель VNA диаметром 1,85 мм был представлен компанией Anritsu / Wiltron Co. для поддержки коаксиального анализатора цепей с полосой пропускания 60 ГГц. Усовершенствования в конструкции штырей коннектора VNA позволили увеличить частотный охват коаксиального анализатора цепей сначала до 65 ГГц, затем до 67 ГГц и затем до 70 ГГц. 1-миллиметровый разъем 110 ГГц был представлен компанией Agilent, за ним последовал разъем W 110 ГГц от Anritsu, представивший коаксиальный анализатор цепей 110 ГГц. При разработке коаксиальной системы векторного анализа цепей с диапазоном частот от 70 кГц до 145 ГГц компания Anritsu представила коаксиальный разъем 0,8 мм.

Однако по мере уменьшения размеров разъема они также становятся более хрупкими. Конструкция с более тонкими стенками разъемов K-диапазона и V-диапазона давала разъемы размером 1 мм и меньше со слишком хрупкими охватывающими контактами; таким образом, требовались более толстые стены. Но более толстые стенки увеличивают сопротивление зазора между штырями. Тем не менее, это было предпочтительнее хрупкого женского контакта с очень тонкими стенками. Эти разъемы довольно дороги, и искаженный контакт очень нежелателен.

Поиск станков для производства таких соединителей становится сложной задачей, хотя доступны небольшие сверла - диаметром всего 0,05 мм. Для проделывания отверстий в опорных бортах необходимы сверла. Кроме того, для прорезания пазов в центральном проводнике с внутренней резьбой требуется тонкая пила, способная прорезать достаточно глубоко, чтобы сделать достаточно длинные пазы. Пила самого мелкого размера - 0,05 мм (была даже пила 0,025 мм); в результате контакт с гнездом с прорезью будет очень хрупким. В тонкостенной конструкции усилие вставки будет очень небольшим, как и прижимное давление. При конструкции соединителя с толстыми стенками контактное давление будет больше, но гибкость пальцев будет небольшой.


1. Импеданс зазора между контактами различных разъемов можно быстро сравнить.
Варианты конструкции высокочастотного разъема включают очень тонкую контактную стенку с внутренней резьбой без щелей. Следовательно, штыревой штифт может быть большим, близким по размеру к основному центральному проводнику. Такой штифт можно было обработать с прорезью 0,05 мм. В нем будет использоваться прорезь внутри отверстия без прорези, которая будет прочной и не имеет тенденции к расширению, как стандартный контакт с гнездовой прорезью. Импеданс этого зазора между контактами составляет 65 Ом, что намного ниже, чем у низкочастотных конструкций. Это делает разъем менее чувствительным к отражениям от штырей.

На рис. 1 показаны различные размеры разъемов, а в таблице приведены дополнительные сведения о существующих и экспериментальных разъемах. В этих экспериментальных конструкциях соединителей диаметром 0,6 и 0,4 мм используется новый подход к контактам с прорезями типа «клешня лобстера». Внешние части этих меньших разъемов имеют размеры, аналогичные 1-миллиметровым разъемам, для облегчения работы. Но они также спроектированы так, чтобы их нельзя было соединить деструктивно, т. Е. Штекерный соединитель большего размера не может быть соединен с гнездовым соединителем меньшего размера. Разъемы обозначаются номером, выгравированным лазером, который показывает размер разъема (рис. 2) . Номер также выгравирован на стяжных гайках, в которых есть канавки, которые также идентифицируют тип.

2. Поскольку разъемы становятся меньше, на них может быть нанесен номер с лазерной гравировкой для определения размера разъема.
Разъемы на частотах выше, чем у 1-мм разъема, будут спроектированы с опорными шайбами ​​для максимальной номинальной частоты, которая совпадает с частотой отсечки воздух-диэлектрик, F co . У низкочастотных соединителей есть опорные борта, которые больше, чем размер внешнего проводника из диэлектрика, что означает, что они способны к F co , которое существенно ниже, чем F co воздуха . Частота отсечки обратно пропорциональна корню квадратному из диэлектрической проницаемости диэлектрического материала между центральным проводником и внешним проводником. Новые конструкции имеют опорные борта, которые существенно меньше размера внешнего проводника воздуха. Они разработаны, чтобы иметь F co, которая имеет ту же частоту, что и воздух Fco (рис.3) .

3. Поддерживающие борта разъема продолжают уменьшаться в размере с увеличением частот разъема.
Одна из проблем, связанных с уменьшением размера валика соединителя по сравнению с размером внешнего проводника воздушного диэлектрика, заключается в том, как захватить валик (рис. 4) . Выполнение отверстия во внешнем проводнике, содержащем бортик, само по себе представляет две проблемы; Во-первых, просверлить такое маленькое отверстие глубоко во внешнем проводнике сложно, и валик механически удерживается только в одном направлении. Старые конструкции, в которых валик был больше, чем внешний проводник воздуха, позволяли механический захват в обоих направлениях. Решением была гильза, которая содержала валик и имела внешний диаметр примерно такого же размера, как внешний проводник для воздуха (рис. 5) . Рукава имеют очень тонкие выступы на обоих концах и обжаты, чтобы удерживать бусину на месте. Затем сборку можно припаять на место; бусины изготовлены из жаропрочного пластика.

4. Для сравнения на буртике коннектора K изображена опорная планка для 0,6-мм разъема.
На рисунке 6 показан высокочастотный разъем 0,8 мм в сборе, в котором не используется конструкция «лобстер-коготь». Слева нижняя часть обжата, а правая сторона показывает сборку после обжатия с кончиком лезвия Xacto, показанным в качестве справочного размера. Задняя сторона разъема представляет собой копланарный волновод (CPW), аналогичный пластинчатому зонду. Центральный провод является обычным, но внешняя торцевая крышка проводника может быть сконфигурирована для размещения различных конструкций CPW.

5. При разработке соединителей меньшего размера использовалась втулка, которая содержала буртик и имела внешний диаметр примерно того же размера, что и внешний проводник для воздуха.
Видно, как бортовая втулка впаивается во внешний проводник. Разъем сопрягается с внутренней схемой компонента через его задний интерфейс. Это важная часть разъема, даже более важная на высоких частотах. Следы подложки размером 0,1 мм и меньше должны быть подключены с возможностью повторения и надежно к этим тыловым интерфейсам, часто с использованием схемы CPW в полупроводниковых пробниках для тестовых систем на более высоких частотах. Для разъемов и компонентов на этих более высоких частотах задняя сторона этих разъемов представляет собой пластинчатый зонд, встроенный в разъем.

6. На фотографии показана нижняя часть обжатого соединительного узла (слева) и узел после обжатия (справа).
Растачивание отверстия для внешнего проводника представляло проблему, связанную с трудностью забивания небольшой расточной оправки на необходимую глубину. Вместо этого использовалось сверло, а переход между размерами оставлен в виде конуса. Моделирование, выполненное с помощью программного обеспечения для трехмерного (3D) электромагнитного (ЭМ) моделирования высокочастотной структуры (HFSS) от ANSYS, показало, что конструкция разъема менее чувствительна к допускам, чем использование плоского дна, созданного расточной оправкой. Центральный провод также был сужен и оказался еще менее чувствительным к допускам. Такое упрощение конструкции дало положительные результаты по характеристикам ВЧ / СВЧ.

7. Использование настраиваемых интерфейсов CPW на задней панели помогает добиться оптимального выравнивания разъема по подключаемой цепи.
К счастью, эти новые конструкции разъемов могут регулировать их интерфейсы CPW на задней стороне, обеспечивая правильное расположение разъема на компонентной подложке, необходимое для оптимальной производительности. В этом подходе (рис. 7) отверстия расположены на краю фланца по центру края фланца. Конический штифт позволяет фланцу перемещаться вверх, вниз, влево и вправо для правильного выравнивания. Когда разъем правильно подсоединен к подложке CPW, винты фланца затянуты (рис. 8)

8. Этот регулируемый дизайн задней стороны показывает регулировочные отверстия.
На рис. 9 показана конструкция, позволяющая подключать к корпусу различные передние разъемы. Он позволяет подключать полупроводниковые зонды с разными разъемами к общему широкополосному модулю векторного анализатора цепей. Он принимает вафельные зонды с разъемами типа «папа» и «мама» 0,8 и 1 мм, а также специальные зонды, а также может использоваться с разъемами единой конструкции.

9. На верхней диаграмме показано, как разные разъемы на передней панели можно использовать с общим модулем, а на нижней диаграмме показан интерфейс CPW на задней стороне.
Эти более мелкие высокочастотные разъемы нельзя использовать в качестве традиционных низкочастотных разъемов, но вполне вероятно, что они будут использоваться в специальных системных приложениях и для тестирования с более высокочастотными ВАЦ. Например, доступная в настоящее время система векторного анализатора цепей Anritsu VectorStar покрывает диапазон от 70 кГц до 125 ГГц за один цикл с помощью коаксиальных разъемов диаметром 1 мм. Компания также продемонстрировала технологию системы VectorStar от 70 кГц до 145 ГГц с разъемами 0,8 мм. Модули волновода расширяют зону покрытия до 1,1 ТГц. Эти соединители типа «лобстер-коготь» предназначены для широкополосного покрытия от 70 кГц до 332 ГГц.

Поскольку электронные приложения достигают более высоких частот, коаксиальные разъемы также расширяются по частоте. Частоты, которые когда-то считались исключительной областью волновода, теперь обрабатываются коаксиальными разъемами. В 1983 году, например, в опубликованном отчете (см. Microwaves & RF , May 1983, p. 94) предлагалось, что коаксиальный соединитель, работающий на частоте до 40 ГГц, маловероятен из-за механических ограничений. Но сейчас разрабатываются разъемы, которые имеют почти в 10 раз более высокую частоту. По мере того, как приложения достигают более высокого уровня, дизайнеры найдут способы расширить коаксиальные разъемы для удовлетворения этих потребностей.