Радиочастотные соединители с предельной частотой 40 ГГц: перспективы применения в отечественных изделиях СВЧ

Эволюция соединителей: от SMA до 2,92 мм

Одна из главных тенденций развития микроэлектроники СВЧ – продвижение в область всё более высоких частот. Для этого потребовались радиочастотные соединители сначала сантиметрового, а затем и миллиметрового диапазонов длин волн. На рисунке 1 показаны предельные частоты соединителей основных типов [1].

Предельной можно считать верхнюю частоту применения соединителя с ещё приемлемыми параметрами согласования. Предельная частота всегда меньше теоретической предельной частоты, при которой в коаксиальной линии соединителя существует только основная ТЕМ-волна.

С середины 1960-х годов и до наших дней в микроэлектронике СВЧ доминирует базовый соединитель SMA с предельной частотой 18 ГГц, имеющий коаксиальную линию размерами 4,1/1,27 мм, заполненную фторопластом (см. рис. 2) [2, 3]. 

В таблице 1 приведены конструктивные параметры соединителей SMA.

Для создания микроэлектронных устройств К- и K_а-диапазонов частот необходимы были более высокочастотные (чем SMA) соединители. Первым шагом в этом направлении было создание соединителей 3,5 мм с предельной частотой 34 ГГц (со­единители 3,5; 2,9; 2,4; 1,85 и 1,0 мм названы так по размеру внутреннего диаметра наружного проводника коаксиальной линии). За основу был взят соединитель SMA. Из него удалили фторопластовый изолятор, заменив его воздухом, и уменьшили размеры коаксиальной линии до 3,5/1,52 мм (см. рис. 3) [2]. 

Крепление внутреннего проводника и герметизация соединителя были выполнены при помощи опорной диэлектрической шайбы. Первым в серии соединителей 3,5 мм стал APC 3,5 (Amphenol Precision Connector 3.5 mm), разработанный в 1976 году компаниями Amphenol и Hewlett Packard (ныне Agilent). Соединитель 3,5 мм совместим с базовым соединителем SMA, так как в них использовано одинаковое резьбовое соединение «вилки» и «розетки» (резьба 1/4″×36 UNS). За счёт уменьшения внутреннего диаметра наружного проводника коаксиальной линии в соединителе 3,5 мм более чем в 2 раза (по сравнению с соединителем SMA) увеличена толщина стенки корпуса в области совмещения наружных проводников «вилки» и «розетки». Поэтому соединители 3,5 мм имеют более жёсткую конструкцию и стабильные электрические параметры.

В таблице 2 приведены конструктивные параметры соединителей 3,5 мм.

В настоящее время соединители 3,5 мм выпускаются несколькими компаниями для применения в радиоизмерительной аппаратуре.

Коаксиальная линия с размерами 2,92/1,27 мм и предельной частотой 40 ГГц была впервые реализована в 1973 году Maury Microwave Corporation в соединителе MPC2 – первом радиочастотном соединителе миллиметрового диапазона длин волн [4]. Однако этот соединитель не нашёл применения из-за высокой стоимости и несовместимости с SMA. В 1974 году компания Maury создала усовершенствованный соединитель MPC3, по присоединительным размерам совместимый с SMA. Аналогичный соединитель WMP4 был разработан и фирмой Weinschel Engineering. Однако и эти соединители не были востребованы, так как в то время ещё не сформировались области их применения и отсутствовала необходимая радиоизмерительная и метрологическая аппаратура. Лишь спустя десятилетие, в 1983 году Билл Олдфилд из компании Wiltron (ныне входит в Anritsu Corporation) создал первый приборный соединитель, который был назван K, т.к. он перекрывает всю K-область частот (12,4...40 ГГц). Одновременно была разработана и необходимая измерительная аппаратура, в частности автоматический скалярный анализатор для диапазона частот 0,1...40 ГГц.

Соединитель K состоит из миниатюрного металлостеклянного ввода с волновым сопротивлением 50 Ом и собственно резьбового или фланцевого соединителя с воздушной коаксиальной линией размерами 2,92/1,27 мм (см. рис. 4) [2, 5].

Диаметр центрального проводника ввода – 0,3 мм, наружного проводника – 1,9 мм, длина – 1,4 мм. Изолятор ввода изготовлен из стекла Corning 7070 с диэлектрической проницаемостью 4,0 и тангенсом угла диэлектрических потерь 2,1 × 10^–3. Ввод впаивают в корпус изделия, его центральный провод­ник соединяют с гнездовым контактом соединителя, который закрепляют на корпусе изделия винтами или вкручивают в него (см. рис. 5) [6].

Такая конструкция соединителя K позволяет в случае выхода из строя быстро производить его замену в полевых условиях (Field Replaceable Con­nector). Интерфейс и внешний вид «розетки» и «вилки» соединителей 2,9 мм показаны на рисунке 6, а конструктивные параметры – в таблице 3 [2, 6, 7].

Внутренний проводник соединителя с обеих сторон имеет гнездовые контакты с четырьмя ламелями и закреплён в опорной диэлектрической шайбе из материала Rexolit. Опорная шайба снижает предельную частоту соединителя, поэтому с ростом частоты для существования в коаксиальной линии соединителя только ТЕМ-волны необходимо не только уменьшать поперечные размеры коаксиальной линии, но и снижать величину эффективной диэлектрической проницаемости опорной шайбы. Диэлектрическую проницаемость опорной шайбы уменьшают, замещая часть материала изолятора воздухом. В соединителе К опорная шайба выполнена со ступенчатыми несквозными отверстиями, что позволило снизить диэлект­рическую проницаемость с 2,58 до 2,0 и поднять предельную рабочую частоту до 41,6 ГГц.

Соединитель K по своим присоединительным размерам совместим с соединителями SMA и APC 3,5. При этом параметры согласования пары каждого из этих соединителей с соединителем K лучше, чем для пары однотипных соеди­нителей. Присоединительные и установочные размеры всех соединителей 2,92 мм регламентированы международными стандартами MIL-С-39012 и MIL-STD-348.

В таблице 4 представлены зарубежные компании-производители соединителей с коаксиальной линией 2,92/1,27 мм и фирменные обозначения выпускаемых ими соединителей. Данные, приведённые в этой таблице, не претендуют на исчерпывающую полноту. Существуют и другие компании-производители соединителей с коаксиальной линией 2,92/1,27 мм. Однако либо они выпускают всего 1–2 типа соединителей, либо отсутствует необходимая информация о параметрах соединителей.

Сравнительные параметры зарубежных соединителей SMA, 3,5 мм и 2,92 мм, а также соединителей 2,92 мм отечественных предприятий НПФ «Микран» и ООО «Амитрон Электроникс» представлены в таблице 5. В этой таблице приведены типичные параметры соединителей, усреднённые по данным разных компаний. Фактические параметры каждого конкретного соединителя даются в его спецификации (Data Sheet). Так, например, КСВН соединителей 2,92 мм компании Giga Lane менее 1,2 в диапазоне частот 0...27 ГГц и менее 1,25 на частотах 27...40 ГГц, экранное затухание менее –100 дБ. K-соединители 2,92 мм компании Delta Electronics имеют КСВН менее 1,15 в диапазоне частот 0…18 ГГц и не более 1,3 в диапазоне частот 18…40 ГГц, экранное затухание –100 дБ на частотах до 2,5 ГГц. На рисунке 7 приведены частотные зависимости допустимой пропускаемой мощности для соединителей разных типов [8].

Допустимая мощность уменьшается с ростом частоты, и для соединителей 2,92 мм она меньше, чем для соединителей SMA и 3,5 мм.

Соединители 2,92 мм имеют лучшие электрические параметры по сравнению с базовыми соединителями SMA [8]:

• усилие соединения «вилки» и «розетки» соединителей 2,92 мм меньше, чем у соединителей SMA и 3,5 мм. Результатом малого усилия является уменьшение износа центральных контактов и повышение надёжности соединителей 2,92 мм [8];
• толщина стенки наружного провод­ника соединителя 2,92 мм приблизительно в 3,5 раза больше, чем у соединителя SMA – 0,85 по сравнению с 0,25 мм соответственно. Это обеспечивает более надёжный контакт наружных проводников и повышение жёсткости конструкции;
• в отличие от соединителей SMA не требуется закрепление внутреннего проводника в корпусе при помощи эпоксидного компаунда, что улучшает экранное затухание (радиогерметичность) соединителей 2,92 мм;
• в соединителях 2,92 мм длина штыря кабельной «вилки» уменьшена, а сам штырь скруглён. В результате уменьшения длины штыря сначала происходит контактирование наружных проводников, и лишь после этого штырь входит в гнездо «розетки». Это позволяет исключить вероятность отгибания ламелей гнездового контакта и его повреждения при расположении пары соединителей («вилки» и «розетки») под углом друг к другу в момент стыковки.

Обзор соединителей зарубежных компаний

В таблице 6 представлены различные типы соединителей с коаксиальной линией 2,92/1,27 мм зарубежного и отечественного производства.

Прямые и угловые кабельные соединители («розетка» и «вилка»)

Выпускается большое количество соединителей, предназначенных для работы с полужёсткими кабелями – 0,047″, RG405 (0,085″), 0,118″, RG402 (0,141″). Заделку кабеля в соединитель производят пайкой (Solder), реже – прижимом (Clamp). Производители предлагают прямые и угловые (радиусные) стандартные, панельные (фланцевые) и проходные (Bulkhead) кабельные соединители «вилка» и «розетка» (см. рис. 8).

Наибольшая номенклатура кабельных соединителей у компаний Precision Connector, Spectrum Elektrotechnik и Southwest Microwave.

Составные фланцевые и резьбовые соединители в сочетании с герметичными СВЧ-вводами

Составные соединители «вилка» и «розетка» работают в сочетании с металлостеклянными СВЧ-вводами (диаметры центральных проводников вводов 0,23; 0,3; 0,38; 0,46 или 0,51 мм). Выпускают соединители с прямоугольными фланцами размерами 5,7 × 15,9 и 5,7 × 14,0 мм и с квадратными фланцами 12,8 × 12,8 и 9,5 × 9,5 мм (см. рис. 9).

Большое количество составных соединителей выпускают компании Southwest Microwave, Giga Lane, Microwave Town, Delta Electronics, A-INFO.

Панельные фланцевые выводы СВЧ-энергии («розетка» и «вилка»)

Созданы панельные (Panel Mount) соединители с круглым центральным проводником (Receptacle Round Contact Connectors), с выступающим фторопластовым изолятором (Receptacle Exposed Teflon Connectors) и с выступающим центральным проводником (Receptacle Blunt Post Contact Con­nectors) (см. рис. 10).

Компании Microwave Town и Cmpter Electronics выпускают наибольшее количество типов панельных соединителей (выводов энергии).

Соединители для установки на печатные платы

Следует отметить, что соединители 2,92 мм (так же, как N, SMA и QMA) из-за своих достаточно больших размеров не находят широкого применения при монтаже на печатные платы во всё более компактных изделиях микроэлектроники СВЧ. Номенклатура этих соединителей ограничена. Внешний вид соединителей для установки на печатные платы показан на рисунке 11.

Одноканальные и межканальные адаптеры

Разработаны одноканальные адаптеры «вилка – вилка», «розетка – розетка» и «вилка – розетка», а также межканальные адаптеры для перехода к соединителям типов N; SMA; 3,5; 2,4; 1,85 мм и SMPM (см. рис. 12).

Большинство компаний-производителей соединителей 2,92 мм одновременно выпускают одноканальные адаптеры (прямые, угловые, панельные и проходные) и межканальные адаптеры. Большое количество адаптеров производят компании Rosenberger, A-INFO, Anritsu, Fairview Microwave, SigaTek, Precision Connector, SRI Connector Gage, Pasternaсk, Cmpter Electronics.

Отечественные соединители с коаксиальной линией 2,92 /1,27 мм

НПФ «Микран» (г. Томск) раз­работала следующие соединители 2,92 мм [9]:

• составные коаксиально-микрополосковые переходы «розетка» и «вилка»;
• резьбовые (с метрической резьбой М6 × 0,75 и дюймовой резьбой 1/4″ × 36 UNS) и фланцевые (с прямоугольными и квадратными фланцами);
• одноканальные и межканальные адаптеры (см. табл. 6).

Коаксиально-микрополосковые переходы применяют в комплекте с СВЧ-вводами серии МК100. Созданы одноканальные адаптеры «розетка – розетка», «вилка – вилка», «розетка – вилка» и межканальные адаптеры с разным сочетанием «вилка» и «розетка» для перехода в канал 2,4/1,04 мм (см. рис. 13 и 14). 

Параметры соединителей НПФ «Микран» приведены в таблице 5.

Корпуса соединителей изготовлены из нержавеющей стали, центральные проводники – из упрочнённой бериллиевой бронзы, покрытой износостойким золотом. На соединителях НПФ «Микран» применена следующая маркировка: наличие двух кольцевых маркёров на корпусе соединителя соответствует дюймовой резьбе 1/4″ × 36 UNS, отсутствие маркёров соответствует метрической резьбе М6 × 0,75.

На сегодняшний день компания ООО «Амитрон Электроникс» (г. Москва) освоила и серийно выпускает более 90 типов различных коаксиальных радиокомпонентов [10]. В их числе и соединители типа К: кабельные «вилки» и «розетки» и составные фланцевые соединители (см. табл. 6). Параметры соединителей приведены в таблице 5.

Перспективы применения соединителей 2,92 мм в отечественных изделиях микроэлектроники СВЧ

Применение рассмотренных соединителей позволяет:

1) решить проблему совместимости отечественных изделий в диапазоне частот до 40 ГГц с зарубежной радио­измерительной аппаратурой компаний Agilent, Anritsu, Rohde&Schwarz (в настоящее время такой аппаратурой оснащены многие отечественные предприятия-производители изделий микроэлектроники);

2) улучшить выходные параметры изделий: применение соединителей 2,92 мм в изделиях с рабочей частотой до 40 ГГц позволяет снизить величины КСВН и потерь по сравнению с соединителями SMA и их отечественными аналогами;

3) решить проблему совместимости с зарубежными соединителями других типов: SMA, 3,5 мм, WSMA.

Для того чтобы соединители 2,92 мм были востребованы в отечественных изделиях, необходимо решить две основные задачи.

1. Ввести канал 2,92/1,27 мм в отечественные стандарты по радиочастотным соединителям. В настоящее время этот канал отсутствует в ГОСТ РВ 51914-2002 для соединителей общего применения и в ГОСТ 13317-89 для измерительных соединителей.

2. Создать в нашей стране серийное производство этих соединителей и необходимых аксессуаров (нагрузки согласованные, нагрузки короткого замыкания и холостого хода, наборы калибровочных мер, адаптеры и др.).

Заключение

Соединители 2,92 мм занимают промежуточное положение между соединителями SMA (предельная частота 18 ГГц, улучшенный вариант – до 27 ГГц) и 2,4 мм (предельная частота 50 ГГц). Соединители SMA уступают соединителям 2,92 мм по частотному диапазону. Соединители 2,4 мм стандартизированы в нашей стране (ГОСТ 13317-89 и ГОСТ РВ 51914-2002, тип I), однако у них пока нет широкого применения, стоимость их высока, и они требуют исключительно бережного обращения из-за возможности повреждения тонких центральных проводников.

Соединители 2,92 мм сочетают преимущества соединителей SMA и 2,4 мм. Применение этих соединителей в отечественных изделиях миллиметрового диапазона длин волн обеспечит улучшение параметров и повышение надёжности отечественной микроэлектро­ники СВЧ.

Литература

1. www.ssicable.com.
2. www.sigatek.com.
3. www.gigalane.com.
4. Mario A. Maury, Jr. Microwave Coaxial Connector Technology: A continuing Evolution Maury Microwave Corporation. 13 December. 2005. Maury Connector guide.
5. www.carlisleit.com
6. www.us.anritsu.com
7. www.EmersonNetworkPower.com
8. www.southwestmicrowave.com
9. www.micran.ru
10. www.amel.ru
11. Джуринский К. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники. СВЧ. Издание второе. М. Техносфера. 2006.

© СТА-ПРЕСС