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同轴式微波旋转连接器的设计步骤及实例分析

2017年11月22日 10:50 次阅读

  微波旋转连接器是用来把高频信号从一个固定的平台传输到另外一个需要连续旋转的平台上,是相对旋转运动的结构之间用于传递能量或信号的机构,可保持射频信号在连续旋转的过程中连续不断的传输,其应用范围包括传统的空管雷达、防导系统、医疗工程、卫星通讯以及摄像系统等,可以避免传输电缆或线束因360度旋转而相互缠绕在一起,以提高整体可靠性。根据要传输的信号频率范围不同,旋转连接器可通过以下三种方式来实现:(1)接触式传输滑环:该类型产品一般可以传输0-120MHz的频率范围;(2)同轴接触式旋转连接器:一般可以传输0-50GHz的频率范围;(3)非接触式旋转连接器:无论是同轴的旋转连接器,还是波导的旋转连接器都可以采用此种技术实现,并且具有超长的使用寿命,该类型产品的最宽传输频率范围一般是其最高工作频率的20%以内。目前,微波旋转连接器的需求显著特点是小型化设计、优良驻波比和低插损值、旋转时的低振动以及在工作频率范围内通道之间的高隔离度。

  2、射频同轴理论分析

  常用的同轴电缆特性阻抗为:50Ω和75Ω。以50Ω为例,同轴连接器的特性阻抗(空气介质时)为:

  2.1

  (1)

  式中令Z0=50,D为外导体内径,d为内导体外径,ε0为空气介电常数,一般情况下近似取为1。则50Ω连接器的D/d直为:

  2.2

  (2)

  若以聚四氟乙烯为介质时,ε0=2.04,则50Ω连接器计算D/d比值近似为3.29。

  现有射频同轴连接器多以空气或聚四氟乙烯为介质,内导体多采用铍青铜、锡青铜等铜的合金材料,外导体采用钢或黄铜。因此,本文以SMA连接器为基础,并结合以上理论设计出一种可以连续旋转传输的连接器。

  3、设计步骤

  设计步骤总体如下:

  (1)根据使用频率选择合适的内外导体直径;

  (2)设计内外导体的扼流槽方案及尺寸;

  (3)选择合适的输入输出结构,如SMA型等;

  (4)由HFSS或MWS等软件进行全尺寸仿真,仿真中最佳频带以驻波比为1.1以下为佳;

  (5)若回损和插损性能满足,再进行功率容量分析,否则转入(2)、(3)、(4);

  (6)加工制造;

  (7)调试与测试;

  (8)环境试验和可靠性试验。

  4、设计实例

  根据实际需求,设计一款体积小、结构简单、易于加工制作且频率不小于10GHz的微波旋转连接器。由于SMA型连接器是一款常用且形成国际标准的射频连接器,并得到了广泛的应用,本文以此为模型进行分析设计出满足要求的旋转连接器。由公式(3)可以计算出理论上SMA连接器的截止频率。

  2.3

  (3)

  公式(3)中C0为光速,ε0为介质介电常数,选取ε0=2.04,另外由于标准SMA连接器中d=1.27mm,D=4.1mm,则通过计算得fc最大可达20G以上,因此完全满足需求。同时为了尽量减少由内导体截面突变而引起阶梯电容产生的较大反射,旋转连接器内导体外径和SMA内导体外径保持统一为1.27mm。在内外导体扼流槽部分传输介质为空气,经计算此部分外导体内径为2.92mm,其它部分尺寸均与SMA连接器保持一致。最终实现的微波旋转连接器结构如图1所示,其中1为SMA外导体,2为SMA传输介质PTFE,3为SMA内导体,同理4、5、6类似,9为微型轴承,并分别通过端盖7和8固定其内圈和外圈。外形结构如图2所示。

  

图1、微波旋转连接器结构图

  

图2、微波旋转连接器外形尺寸图

  4、参数测试

  本文依据射频同轴理论设计出的一种单路同轴接触式微小型微波旋转连接器经实际测量,主要指标参数如下:

  (1)工作频率:0-15G;

  (2)电压驻波比:≤1.25;

  (3)电压驻波比跳动:≤0.05;

  (4)插入损耗:≤0.5;

  (5)峰值功率:1000w;

  (6)转速:≤100rpm;

  (7)工作温度:-40℃-70℃;

  (8)接口类型:SMA-F—SMA-F(50Ω)。

  5、注意事项

  根据实际加工和试验得出设计过程中需要注意以下事项:

  (1)内外导体扼流槽不要处在同一平面上;

  (2)内外导体扼流槽间隙宽度不大于0.05mm为最佳;

  (3)外导体内径由4.1mm过渡到2.92mm的过程中开一宽为0.3mm左右的过渡圆槽为最佳;

  (4)为提高接触性能和耐磨性,内外导体接触处镀厚度不小于3μm的金合金镀层,同时在镀层表面涂固体润滑保护剂DJB-823;

  (5)经试验,内导体材料选取含镁的铍青铜比普通铍青铜具有更好的硬度、强度和弹性;

  (6)经试验,采用脉冲镀合金层与普通电镀相比镀层厚度均匀性一致性更强,致密性和光泽性更好。

  (7)内外导体尺寸公差应控制在±0.005mm以内为最佳。

  6、结语

  本文根据实际需求,设计出一种同轴式微波旋转连接器,其具有体型小、传输频带宽、成本低、结构简单、易于实现的特点。由于其具有体积小的优势,可以很方便的同接触式导电滑环集成在一起使用,传输高频信号,可大大提高实际使用过程中的集成效率和效果。此外,由于采用接触式传输微波信号,其接触部分主要靠弹性件的弹性强度来保证,实际工作寿命相对较低,因此其更适合在转速相对较低的场合使用。

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百佳泰USB实验室—中国首家线缆与连接器认证测试...

TE Connectivity推出3选2存储卡连...

TE Connectivity (TE)宣布推出3选2卡连接器,可在手机、平板电脑、超轻便型设备和个...

发表于 2017-07-06 16:27 380次阅读
TE Connectivity推出3选2存储卡连...

Molex 推出 Woodhead ArcArr...

(新加坡 – 2017 年6月27日) Molex 的 Woodhead ArcArrest 30 ...

发表于 2017-06-27 16:56 347次阅读
Molex 推出 Woodhead ArcArr...

TE Connectivity推出全新MULTI...

TE Connectivity (TE) 推出全新MULTI-BEAM卡缘连接器,该产品可提供卓越的...

发表于 2017-06-20 14:45 477次阅读
TE Connectivity推出全新MULTI...

连接器发展的四个趋势

随着半导体工艺技术的高速发展,集成电路的集成能力越来越强,但在电子产品构成中,一种器件必不可少,它就...

发表于 2017-06-13 14:37 1171次阅读
连接器发展的四个趋势

倍捷连接器(PEI-Genesis)进军台湾市场...

世界上速度最快的精密连接器组装商,自1946年开始就专注于创新和满足客户需求的家族企业。

发表于 2017-05-24 09:24 331次阅读
倍捷连接器(PEI-Genesis)进军台湾市场...

连接器的应用与连接器的市场发展

连接器,即CONNECTOR。国内亦称作接插件、插头和插座。一般是指电器连接器。即连接两个有源器件的...

发表于 2017-05-20 11:50 442次阅读
连接器的应用与连接器的市场发展

连接器的原理、类别分类与型号命名

连接器是一种通常安装在电缆或者设备上,供传输线系统电连接的可分离元件(转接器除外)。国内亦称作接插件...

发表于 2017-05-20 11:19 1655次阅读
连接器的原理、类别分类与型号命名

连接器的基本性能与其基本结构

连接器在电路内被阻断处或孤立不通的电路之间,架起沟通的桥梁,从而使电流流通,使电路实现预定的功能。连...

发表于 2017-05-20 09:57 421次阅读
连接器的基本性能与其基本结构

连接器的基本定义与其优点特点

连接器,即CONNECTOR。国内亦称作接插件、插头和插座。一般是指电器连接器。即连接两个有源器件的...

发表于 2017-05-20 09:30 575次阅读
连接器的基本定义与其优点特点

Type-C 连接器解决所有连接问题

最新最好的新型USB Type-C连接器具有高功率(高达100W)、高速度(高达USB 3.1数据速...

发表于 2017-04-26 11:12 1143次阅读
Type-C 连接器解决所有连接问题

连接器周报:排名第一巨头,如何连接未来?

当前TE全球有超过14,000个专利正在申请或者已经获得批准,大约每年销售收入的5.6%用于研发,全...

发表于 2017-04-14 16:17 1302次阅读
连接器周报:排名第一巨头,如何连接未来?

创新风暴眼:数据的连接与传输

在智能化大时代,数据的连接与传输缘何“不简单”? 用哪些解决方案帮助工程师更好地应对产品革新所带来的...

发表于 2017-04-13 09:39 1717次阅读
创新风暴眼:数据的连接与传输

硬件设计如何选择连接器

电子产品的设计越来越趋向于模块化,不同功能模块经过有机结合可快速打造出优质、性能各异的产品,而其中模...

发表于 2017-04-12 17:22 598次阅读
硬件设计如何选择连接器

TE Connectivity推出符合OCP标准...

中国上海 – 2017年4月12日 – 全球连接和传感领域领军企业TE Connectivity(T...

发表于 2017-04-12 10:44 306次阅读
TE Connectivity推出符合OCP标准...

USB C型产品能做到这一切:通过单个连接传送数...

最近发布的通用串行总线(USB)C型连接器带来了许多增强的功能。众所周知,该连接器既是可翻转的又是可...

发表于 2017-04-08 04:21 303次阅读
USB C型产品能做到这一切:通过单个连接传送数...

您的USB Type-C连接器系统,是否提供 E...

若您是一名设计师,负责将系统中的USB端口迁移到最新的USB标准和USB Type-C连接器,那么您...

发表于 2017-04-08 01:22 328次阅读
您的USB Type-C连接器系统,是否提供 E...

连接器行业排名第一巨头,如何驱动未来互联世界

从2G发展到3G、4G甚至5G,消费者希望可以立刻获得信息,物联网产生的数据也需要被快速传输和处理,...

发表于 2017-03-30 10:15 3398次阅读
连接器行业排名第一巨头,如何驱动未来互联世界

不止于连接器,Molex将互联进行到底!

Molex在展会上展出多个面向医疗、数据通信、运输、工业自动化、数据通信和消费者等领域的产品系列,比...

发表于 2017-03-30 10:03 681次阅读
不止于连接器,Molex将互联进行到底!

Keyssa宣布推出其可支持系统产品更快上市的新...

高速、非接触式连接技术领导厂商Keyssa®日前宣布:推出其新一代元件化连接器产品KSS104,该产...

发表于 2017-03-23 11:24 329次阅读
Keyssa宣布推出其可支持系统产品更快上市的新...

TE Connectivity透明整机机架首次亮...

中国上海 - 2017年3月14日 - 全球连接和传感领域领军企业TE Connectivity(T...

发表于 2017-03-15 15:09 353次阅读
TE Connectivity透明整机机架首次亮...

TE Connectivity宣布推出3选2存储...

全球连接与传感器领域领军企业TE Connectivity (TE)今日宣布推出3选2卡连接器,可在...

发表于 2017-03-01 13:56 413次阅读
TE Connectivity宣布推出3选2存储...

Molex推出iPass+™高密度互连系统

Molex公司宣布推出新型综合iPass+™高密度互连系统,由主机端电路板连接器、内部和外部铜缆组件...

发表于 2017-02-27 17:37 516次阅读
Molex推出iPass+™高密度互连系统

Molex推出用于背板和交叉连接系统的FlexP...

Molex推出了新的FlexPlane光学柔性线路布线结构,用于背板和交叉连接系统中高光纤数的互连。...

发表于 2017-02-27 17:33 480次阅读
Molex推出用于背板和交叉连接系统的FlexP...