Радиочастотные коаксиальные соединители с предельной частотой 145 ГГц. Конец эволюции соединителей?

История создания радиочастотных соединителей мм-диапазона

Продвижение в область всё более высоких частот является одним из основных направлений развития современной СВЧ-техники. Большой интерес к миллиметровому диапазону длин волн (мм-диапазону) обусловлен прежде всего необходимостью повышения скорости передачи данных и пропускной способности сетей связи. Для создания таких устройств необходимо применять всё более высокочастотные соединители. В последние годы расширилось применение соединителей W-диапазона частот (75–110 ГГц, длина волны 4,0–2,73 мм) в автомобильных радарах, беспроводной связи и радиоизмерительной технике. Для дальнейшего развития этих систем требуются ещё более широкополосные устройства, выходящие за пределы W-диапазона в D-диапазон частот (110–170 ГГц, длина волны 2,7–1,8 мм). Чтобы удовлетворить эту потребность, компания Anritsu разработала первый соединитель D-диапазона частот – соединитель 0,8 мм.

Билл Олдфилд (Bill Oldfield), ведущий специалист компании Anritsu (ранее Wiltron, США), автор более 30 патентов, которого называют «пионером индустрии», рассказал, как в 1961 году для создания радиоизмерительной аппаратуры всё более высоких частот разрабатывали соответствующие соединители [1]. В то время рабочая частота радиочастотных соединителей и кабелей не превышала 18 ГГц и, например, в компании Hewlett-Packard считали, что создать коаксиальный разъём на 40 ГГц вряд ли когда-нибудь удастся. Заметим, что именно эта компания через 15 лет выпустила первый соединитель мм-диапазона (соединитель 3,5 мм с предельной частотой 33 ГГц) и в дальнейшем внесла огромный вклад в создание ещё более высокочастотных соединителей. Важнейшие разработки в этой области принадлежат также американским компаниям M/A-COM (ныне TE Connectivity), Amphenol, Agilent (Keysight Technologies) и некоторым другим [2–7].

Все соединители мм-диапазона имеют воздушную коаксиальную линию тем меньших размеров, чем выше частота. Внутренний проводник коаксиальной линии закреплён в диэлектрической шайбе из материала с малыми потерями [3–5].

В таблице 1 приведены теоретическая предельная частота и максимально допустимая рабочая частота соединителей мм-диапазона, а также диаметры проводников коаксиальной линии и диэлектрической шайбы [2–7].

Теоретическая предельная частота коаксиальной линии соединителей рассчитана по формуле [4]:

где D и d – диаметры наружного и внутреннего проводников коаксиальной линии, мм; e – диэлектрическая постоянная изолятора линии (для воздуха e=1).

Для воздушной коаксиальной линии с волновым сопротивлением 50 Ом отношение диаметров наружного и внутреннего проводников равно 2,3 [4].

Внешний вид соединителей мм-диапазона показан на рисунке 1, а их основные параметры приведены в таблице 2.

На рисунке 2 показана частотная зависимость средней пропускаемой мощности соединителей мм-диапазона. Для сравнения приведены частотные зависимости некоторых широко применяемых соединителей сантиметрового диапазона [8].

Средняя пропускаемая мощность коаксиального соединителя обратно пропорциональна , где – частота [4]. Графические зависимости средней мощности соединителей от частоты, построенные в двойных логарифмических координатах, являются прямыми линиями (см. рис. 2). Средняя мощность определяется конструкцией соединителя, размерами его коаксиальной линии, свойствами применяемых материалов и зависит от частоты, температуры и давления окружающей среды.

Для соединителей 1,0 и 0,8 мм компания Anritsu приводит величину допустимой пропускаемой мощности 6 Вт. 

Проблемы, возникающие при создании соединителей мм-диапазона

С ростом предельной частоты соединители мм-диапазона имеют всё меньшие диаметры проводников коаксиальной линии, поэтому главной проблемой при создании этих соединителей является разработка конструкции внутреннего проводника и диэлектрической шайбы, а также способа закрепления в ней внутреннего проводника и самой шайбы – в корпусе соединителя.

Эти вопросы были подробно рассмотрены Б. Олдфилдом [3]. Прежде всего, с ростом частоты всё сложнее обеспечить надёжный контакт миниатюрных центральных проводников соединителей: вилки и розетки. Если бы вилка и розетка были униполярными, то есть имели бы одинаковые центральные контакты, например подпружиненные кнопочные, это позволило бы значительно упростить ситуацию (за рубежом такие соединители называют «бесполыми»). Однако с ростом частоты размеры внутренних проводников настолько уменьшаются (см. табл. 1), что создание униполярных контактов, обеспечивающих упругое соединение, становится трудновыполнимой задачей. Возможно, что соединитель SMA (предельная частота 18 ГГц) является последним униполярным соединителем [3]. При этом даже если бы и удалось изготовить униполярный соединитель мм-диапазона, его стоимость была бы несравнимо выше, чем в случае стандартного соединения штырь – гнездо с ламелями.

В то же время и стандартное соединение штырь – гнездо имеет немало проблем. Начиная с гнездового контакта с двумя ламелями соединителя SMA, встала проблема его повреждения при неосторожном сочленении со штыревым контактом, в связи с чем количество соединений/рассоединений было ограничено числом 500. Более упругим считается гнездовой контакт с четырьмя ламелями, который реализован в соединителе 3,5 мм. Поскольку средний диаметр штыревого контакта вилки равен 0,92 мм, а наружный диаметр гнездового контакта – 1,52 мм, толщина стенки гнездового контакта приблизительно равна 0,3 мм. Гнездовой контакт с такой толстой стенкой является недостаточно упругим и может приводить к износу контактирующих поверхностей при сочленении со штыревым контактом.

В соединителе 2,9 мм (К-соединитель) удалось решить некоторые проблемы контактирования. При среднем диаметре штыревого контакта 0,92 мм и наружном диаметре гнездового контакта 1,27 мм толщина ламелей гнездового контакта стала приблизительно равной 0,18 мм. Гнездовой контакт стал достаточно гибким, давление на штыревой контакт уменьшилось, а сам штырь был укорочен, чтобы избежать повреждения гнезда при вставлении под углом. В результате лучшие K-соединители обеспечивали до 4000 соединений/рассоединений.

С появлением соединителей 2,4; 1,85 и 1,0 мм миниатюрные гнездовой и штыревой контакты стали ещё более хрупкими и уязвимыми, и когда компания Anritsu начала разработку соединителя 0,8 мм, проблема контактов вышла на одно из первых мест. Прежде всего, оказалось невозможным сделать в гнездовом контакте прорези шириной 25 мкм, чтобы получить 4 ламели, т.к. не существовало фрез толщиной менее 50 мкм.

Билл Олдфилд нашёл блестящее решение этой проблемы [3]. Он предложил сделать гнездо с наружным диаметром 0,35 мм без прорезей и с очень тонкой стенкой, а штырь увеличенного диаметра сделать разрезным (с ламелями) с шириной прорезей 0,05 мм (см. рис. 3). Такой контакт получил название the lobster claw, «коготь омара».

Вторая проблема заключалась в выборе материала и технологии изготовления опорной диэлектрической шайбы соединителя. Шайбы соединителей мм-диапазона обычно изготавливают из термопластичного полиэфиримидного полимера Ultem 1000 [5]. Этот материал имеет высокую механическую прочность, близкую к прочности металлов, высокие термостойкость, химическую и радиационную стойкости. Относительная диэлектрическая проницаемость Ultem 1000 равна 3,15…3,20, тангенс угла диэлектрических потерь – (13…20)×10^-4.

С повышением частоты размеры шайбы значительно уменьшаются. Диаметр шайбы соединителя 0,8 мм c предельной частотой 145 ГГц в 5 раз меньше диаметра шайбы К-соединителя c предельной частотой 40 ГГц (см. рис. 4).

Кроме того, в шайбе необходимо было просверлить отверстия диаметром всего 0,05 мм (свёрла такого диаметра, к счастью, существуют). Изготовить с высокой точностью шайбу диаметром 0,56 мм с проточками по краям и с 6 отверстиями диаметром 0,05 мм чрезвычайно сложно. Не менее сложно закрепить в шайбе внутренний проводник и полученную сборку – в корпусе соединителя. В связи с этим было принято следующее решение (см. рис. 5).

Примечание: внутренний проводник на рисунке 5в ещё не имеет дизайн «коготь омара». 

Шайбу поместили в металлическую втулку, наружный диаметр которой был приблизительно равен диаметру корпуса в области установки втулки. По краям втулка имела очень тонкие стенки. Благодаря этому шайбу можно было надёжно закрепить во втулке, развальцевав её края. Затем втулку с закреплённой шайбой впаивали в корпус соединителя низкотемпературным припоем. 

Серия соединителей 0,8 мм компании Anritsu

Серия соединителей 0,8 мм с предельной частотой 145 ГГц состоит из негерметичных резьбовых коаксиально-микрополосковых переходов (Sparkplug Connectors): вилки 0.8-105M и розетки 0.8-105F, а также внутрисерийных и межсерийных адаптеров и нагрузок [9].

Конструкция соединителей 0,8 мм показана на рисунке 6, а их основные параметры приведены в таблице 2.

Центральный проводник диаметром всего 0,127 мм и длиной 0,29 мм соединяют с микрополосковой линией пайкой. Допустимая температура нагрева в течение короткого времени +200°C.

На базе соединителя 0,8 мм компания Anritsu разработала 3 внутрисерийных адаптера: вилка – вилка, розетка – розетка, вилка – розетка. Во всём диапазоне рабочих частот DC–145 ГГц максимальный КСВН этих адаптеров равен 1,43, а величина потерь не более 0,35 дБ [2].

При проектировании соединителя 0,8 мм обсуждался вопрос о том, должен ли он быть совместимым с соединителем 1 мм. Чтобы избежать повреждения соединителей, было принято решение об их несовместимости. Для этого на корпусе розетки соединителя 0,8 мм была применена более мелкая резьба М3×0,35 мм, а на корпусе вилки соединителя 1 мм – более крупная резьба М4×0,7 мм, поэтому сочленение обоих соединителей возможно только с помощью адаптеров. Были разработаны 4 межсерийных адаптера 0,8 – 1,0 мм (W1) с предельной частотой 110 ГГц. Адаптеры имеют следующий максимальный КСВН: 1,15 в диапазоне частот DC–40 ГГц; 1,22 в диапазоне частот DC–80 ГГц; 1,29 в диапазоне частот DC–110 ГГц.

Наряду с адаптерами были созданы прецизионные нагрузки метрологического класса: розетка 28.8F50 (габаритные размеры 21×80 мм) и вилка 28.850 (23×80 мм). КСВН нагрузок не более 1,05 в диапазоне частот DC–40 ГГц; 1,065 в диапазоне частот DC–80 ГГц и 1,22 в диапазоне частот DC–145 ГГц.

Внешний вид адаптеров и нагрузки показан на рисунке 7.

Для работы с соединителями 0,8 мм компания Anritsu разработала полужёсткий армированный кабель длиной 10 и 16 см (см. рис. 8).

Максимальный КСВН кабеля в диапазоне частот DC–145 ГГц – 1,93. КСВН в диапазоне частот DC–18 ГГц не более 1,33; а в диапазоне DC–70 ГГц – менее 1,38.

Соединители 0,8 мм и аксессуары коаксиального тракта в этом диапазоне частот впервые в мире были применены в разработанном компанией Anritsu широкополосном векторном анализаторе цепей VectorStar™ ME7838D (см. рис. 9) [10]. Этот анализатор позволяет измерять характеристики устройств на печатных платах в диапазоне частот от 75 МГц до 145 ГГц.  

Стоимость соединителей 0,8 мм

Стоимость радиочастотных соединителей зависит от сложности конструкции, класса (общего применения, инструментальные или метрологические) и предельной частоты. Метрологические соединители являются наиболее дорогими – их стоимость часто на порядок выше, чем у соединителей общего применения.

Соединители мм-диапазона стоят гораздо дороже соединителей см-диапазона по причине более сложной конструкции и технологии изготовления. На рисунке 10 приведена средняя стоимость соединителей мм-диапазона по данным компании Southwest Microwave, США [11]. Для сравнения на рисунке представлена также стоимость наиболее широко применяемого в технике СВЧ-соединителя SMA c улучшенными параметрами (предельная частота 27 ГГц). Поскольку в каждой серии мм-соединителей насчитываются десятки модификаций разного назначения и стоимости, для оценки общей картины взяты средние ценовые величины. 

Заключение

Эволюция радиочастотных соединителей поразительна. Сначала был освоен сантиметровый диапазон длин волн. С середины 70-х годов прошлого столетия началось продвижение радиочастотных соединителей в миллиметровый диапазон. Достижение каждой предельной частоты казалось последним, однако раз за разом создавались всё более высокочастотные соединители. Достижение частоты 145 ГГц – это ещё не конец эволюции соединителей. Компания Anritsu продолжает работы по созданию соединителя 0,6 мм с теоретической предельной частотой 220 ГГц. Кроме того, теоретически возможен соединитель 0,4 мм с предельной частотой 332 ГГц. Сейчас производство таких соединителей кажется невозможным, но не будем ограничивать наше воображение. 

Литература

Если вам понравился материал, кликните значок - вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал - не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!