毕业论文（设计）毫米波射频同轴连接器设计关键技术研究.pdf

摘要摘要毫米波射频同轴连接器是用于毫米波系统间信号连接的重要元器件。近年来,随着毫米波系统的技术发展，以往用矩形或圆形波导进行毫米波连接的方式已经 越来越不适应毫米波系统逐渐小型化的趋势。如今的毫米波系统需要在有限的空 间实现多路信号互联，同时要求盲插和快速装卸，波导的安装方式已经无法满足 这种技术要求，于是毫米波射频同轴连接器的应用逐步走上正轨，而且越来越多 的军事武器装备系统对其的需求量稳步增长。国内毫米波射频同轴连接器的研究起步较晚，与国外技术水平差距较大，目 前国内上机使用的毫米波射频同轴连接基本依靠进口，武器装备研制过程受制于 人的局面非常严峻。为了实现关键元器件“自主可控”的战略目标，高端毫米波 射频同轴连接器国产化研制的工作十分必要。本文首先介绍了毫米波射频同轴连接及其应用领域，特别对其实际应用场合 进行了调研和总结，为本课题研究成果的应用奠定了基础，指明了方向。同时，本文还对毫米波射频同轴连接器的国内外技术水平的差距和技术总体发展趋势进 行了分析和论述，以便于对本课题研究成果进行定位，并在后续的课题研究工作 中找准着力点。接着，文章从基本理论入手，研究了毫米波射频同轴连接的设计 方法和关键技术，然后再分别以40GHz毫米波射频同轴连接器和65GHz毫米波射 频同轴连接器的设计过程为例进行了毫米波射频同轴连接器设计技术的实践，特 别是对关键零件绝缘子的结构设计以及调整方法进行详细论述和分析。将理 论研究的成果应用于具体设计，在完成40GHz毫米波射频同轴连接器优化设计的 基础上落实了 65GHz毫米波射频同轴连接器的设计方案，并通过产品试制完成了 设计方案的验证，实现了国产化。产品实物经实际测试，65GHz毫米波射频同轴 连接器产品性能已基本达到国外同类产品水平。本文的研究成果从理论分析出发，经过了实践的检验，符合较高频段毫米波 射频同轴连接器设计的技术要求。根据本文的研究成果不但可以成功研制出 SMPM型65GHz毫米波射频同轴连接器，还可以举一反三，将其优化分析的设计 方法推广到其他类别的毫米波射频同轴连接器。关键词：毫米波，同轴，连接器，镂空，阶梯补偿IABSTRACTABSTRACTMillimeter-wave RF coaxial connectors are important components for signal connections in millimeter-wave systems.In recent years,the technology for millimeter-wave system is developed much,the traditional millimeter-wave connections that based on rectangular or circular waveguides gradually deviate from the trend of miniaturization.Nowadays Millimeter-wave systems need to provide multi-channel signal interconnections,blind engaging and quick disengaging capabilities within limited space,those waveguides with traditional mounting methods are not able to meetthe technical requirements.Therefore applications that employ millimeter-wave RF coaxial connectors are right on the track,growing steadily,with increasing market demands for these connectors in military weapon,equipment and systems.The research of millimeter-wave RF coaxial connectors in China is begun later compared to that in foreign countries,and the gap between domestic and foreign technological capabilities is large.Currently,millimeter RF coaxial connections on equipment that is made at home basically rely on imported connectors,resulting in a grim situation that the process of our own weapon and equipment research and development is subject to foreign constraints.Thethesis first introduce what a millimeter-wave RF coaxial connector is and where it applies,with special attention to the research and summarization of its actual applicable fields,laying foundation and pointing out the direction for the application of research findings of the entire project.Meanwhile,in order to find a best niche for future research and production of this project as well as proper acting points of the research work,the article discusses and analyzes the gap between domestic and foreign technological capabilities on the subject of millimeter-wave RF coaxial interconnection.The article starts from the research on basic theory of the design methods and key techniques of the millimeter-wave RF coaxial connector,then to the respective practices of the design techniques of 40 GHz and 65 GHz millimeter-wave RF coaxial connectors,with special attention to the discussion and analysis of the structural design and adjustment methods of the key element of insulator.The findings of the theoretical research are applied in specific actual designs.The design proposal of 65 GHz millimeter-wave RF coaxial connector has been put forward on the basis of the design ABSTRACToptimization of 40 GHz connector and has been validated by trial productions.The performance of our 65 GHz millimeter-wave RF coaxial connectors have been demonstrated to approach those of their foreign counterparts.This research is based on from theoretic analysis,with its production having passed through the validation of actual practice and conforming to the technological requirements of the design of millimeter-wave RF coaxial connectors of higher frequency ranges.Not only can it now successfully used for the SMPM Type of 65GHz millimeter-wave RF coaxial connector according to the research findings described in this thesis,and it isalso able to draw inferences about other types of millimeter-wave RF coaxial connectors from the designing methods of the optimization analysis of 65 GHz model.Keywords:Millimeter Wave,Coaxial,Connector,Hollow,Step compensation.hi目录目录第一章绪论.11.1 引言.11.2 国内外研究现状.11.2.1 国内发展现状.21.2.2 国外发展现状.41.3 本文研究的主要内容.7第二章毫米波及毫米波射频同轴连接器.82.1 毫米波.82.2 毫米波射频同轴连接器.92.3 相关产品的应用.102.4 本章小结.15第三章技术发展趋势.163.1 技术状态及技术路线.163.2 技术难点分析.18321结构设计技术.193.2.2 仿真分析技术.203.2.3 其他关键技术.203.3 本章小结.21第四章基本理论和方法.224.1 传输线理论.224.1.1 传输线方程和解.234.1.2 传输线基本特征参数.254.2 同轴线微波传输理论.274.2.1 同轴线传输的主模.284.2.2 同轴线传输的高次模.294.2.3 同轴线的尺寸选择.294.3 射频同轴连接器设计方法.304.3.1 设计原则.304.3.2 设计过程.314.4 仿真分析方法.384.5 本章小结.39第五章40GHz产品设计关键技术的研究与验证.405.1 结构设计.405.1.1 产品外形设计.415.1.2 产品内部结构设计.425.2 阻抗验算.485.2.1 插孔连接器阻抗计算.485.2.2 插针连接器阻抗计算.495.3 截止传输频率计算.50IV目录5.4 HFSS优化仿真分析.505.4.1 插孔连接器优化仿真分析.505.4.2 插针连接器优化仿真分析.535.4.3 插针连接器与插孔连接器插合状态仿真.535.5 设计验证.545.5.1 零件制造.555.5.2 组装.565.5.3 产品实物测试.585.6 后续改善及技术推广.605.6.1 后续改善计划.605.6.2 技术推广应用.615.7 本章小结.64第六章65GHz产品设计关键技术的研究.656.1 产品外形设计.656.1.1 SMPM-50KK连接器外形尺寸.666.1.2S MPM/1.85-50JK 连接器外形尺寸.666.2 产品内部结构设计.666.2.1 SMPM-50KK 产品结构.666.2.2 SMPM/1.85-50JK 产品结构.746.3 阻抗验算.766.3.1 SMPM-50KK 阻抗验算.766.3.2 SMPM/1.85-50JK 阻抗验算.776.4 截止频率验算.786.4.1 SMPM-50KK截止频率验算.786.4.2 SMPM/1.85-50JK 截止频率验算.786.5 仿真分析.796.5.1 SMPM-50KK仿真建模与分析.796.5.2 SMPM/1.85-50JK 建模与分析.816.5.3 插合状态仿真分析.836.7 设计验证.846.8 本章小结.85第七章结论.87致谢.89参考文献.90v第一章绪论第一章绪论1.1 引言毫米波是无线通讯领域一个传统而新兴的领域。毫米波技术的研究起步早，但实用晚，近些年来由于大量毫米波关键元器件实现了技术突破，解决了性能和 可靠性问题，实现了小型化和量产，为毫米波技术的应用扫清了障碍。如何实现高性能的毫米波传输连接一直是个微波应用领域的高端课题。以往 的应用中，为了实现毫米波系统间的高效连接，只能采用波导系统，但由于波导 特殊的安装方式而大大增加了系统复杂程度和设备体积，严重制约了设备向高可 靠、小型化方向的发展，与当今武器装备的发展趋势不相适应。高可靠毫米波射 频同轴连接器的成功研制将打破这一局限，它为毫米波传输提供小型精简、可靠 性高的连接，并随着技术不断地发展和成熟，必将越来越多地应用到高频率无线 通讯领域。国内毫米波射频连接器应用几乎完全依靠进口，据不完全统计，我国军用电 子装备所需的毫米波射频同轴连接器90%以上是进口产品，而欧美国家对超过 65GHz的毫米波连接器产品和技术都有严格的出口限制，我国军用电子装备对毫 米波射频同轴连接器的需求处于受制于人的不利局面。因此，很有必要对毫米波 射频同轴连接器设计制造技术进行深入研究，以实现中央均为对关键军用电子元 器件实现“自主可控”的战略目标。本研究具有明确的针对性，根据国家部分重点武器装备元器件国产化的要求 而提出，研究成果将加速重点关键元器件国产化进程，有力地保障部分国防重点 工程配套需要，同时通过对先进设计理论和设计方法的研究和推广，必将大幅提 升我国毫米波射频同轴连接器设计的技术水平和可靠性水平，并实现批量生产。1.2 国内外研究现状毫米波射频同轴连接器频率高、可靠性要求高，对设计能力提出了更高要求。在产品设计、仿真分析、自动组装技术、关键接触对制造技术、壳体零件精密加 工技术、可靠性分析与试验验证以及精密测试等关键技术方面，国内连接器厂家 与世界先进企业相比，水平差距很大。在国外，毫米波同轴连接器最高频率已经 达到了 110GHz,65GHz毫米波射频同轴连接器已经批量生产，并已在军用武器装 备系统中得到验证和广泛应用。而国内目前还集中在40GHz及以下频率射频连接 1电子科技大学硕士学位论文器的科研性研制和验证性小批量生产。1.2.1 国内发展现状在毫米波射频同轴连接器方面，国内毫米波射频同轴连接器技术水平与武器 装备需求差距十分明显，研制水平较低，主要依赖进口，如40GHz以上的射频连 接器，lOGbps以上的高速连接器，经常面临国外技术封锁的风险。高端、高档产 品科研水平低主要体现在以下几个方面：（1）缺乏高频、高速传输机理等基础技术研究和积累，缺乏综合仿真设计 技术和手段；（2）受基础条件落后的制约，高端高档产品所使用的高性能材料和高精密 制造设备（如精密加工设备）主要依赖进口；（3）工艺技术研究投入少，关键工艺技术攻关力度不够，工艺技术水平低，手工环节多，稳定性差。（4）研制生产过程的精细化管理水平低，手段缺乏，动态综合验证、极限 超高低温快速变化等特殊单项验证手段缺乏。相对于国外相近水平来说，高端高档产品的科研水平低是设计水平、工艺水 平、设备能力、材料、过程控制能力和试验验证能力缺乏的综合效应。对于目前的高端武器装备的雷达系统、通讯系统、电子战系统等所需的40GHz 以上的毫米波射频同轴连接器，国内的军工用户只能选国外的进口产品。国内目 前还集中在40GHz及以下频率射频连接器的研制和生产，且一致性差、可靠性不 高、设计理念和制造技术也远远落后于国外的生产厂家。国内行业的主要特点体 现在以下几个方面：（1）厂家多、规模小、水平参差不齐据中国电子元器件行业协会统计数据显示，目前国内射频同轴连接器及电缆 组件的生产厂家约有500家，生产规模及产品质量参差不齐，绝大部分是50人以 下的微型企业。规模（年收入为500万元）以上企业约40家，主要分布在江苏、浙江、西安、四川和深圳等地区。生产厂家主要有华达、40所、富士达、金波、艾力特、第七九六厂等。（2）产品性能指标一致性差，可靠性差距更大国内在高性能毫米波连接器方面与国外差距很大。主要表现是国内40G以上 产品还没有开发出来，已经开发的产品性能指标的一致性很差，可靠性难以保证，主要靠大量的产品筛选来保证产品的指标一致性和可靠性。（3）设计理念落后、设计手段差、制造技术较差2第一章绪论很多都是按照国外样品进行仿制，是类比设计，缺少定量的分析以及可预期 的性能和可靠性设计。但是由于在基础研究与工艺水平方面与国外存在较大差距,因此仿制出来的连接器大部分是“形似神异”，在性能指标与可靠性方面与国外都存 在较大差距，制造技术方面装备的工艺水平本身就难以保证关键零部件的尺寸一 致性，材料性能一致性，当然，产品组装后的性能指标一致性就更难以保证。所 以，国内军用用户在采购毫米波同轴连接器时，还是以进口为主。国内毫米波射频同轴连接器关键指标情况见表l-lo表1-1国内毫米波同轴连接器研制现状序号产品系列频率范围(GHz)40所 853厂796厂金波雷迪埃电压驻波比插入损耗(dB)电压驻波比插入损 耗(dB)12.92mm(K)DC 401.280.03业1.200.03a/F22.4mmDC 501.280.03a/F1.200.03a/F31.85mmDC 60无1.300.03a/F41.0mmDC 110无1.700.05a/F5SMPDC 401.701.350.12a/F6SMPMDC 65无1.40o.Nf7SMPSDC 100无1.15(DC-40)1.25(40-65)0.12a/F国内厂家一般生产20GHz以下的射频同轴连接器,在毫米波同轴连接器方面,除了螺纹连接方式40GHz的2.92mm毫米波同轴连接器产品技术较为成熟，与国 外差距较小之外，其余很多连接器的研制才刚起步，虽然号称能开发60GHz的 1.85mm毫米波同轴连接器，但是其实际工作频率和性能比资料给出的指标差，根 本无法与国外相比。尤其是推入式连接器，与国外的差距就更大，如SMPM毫米 波同轴连接器，很多厂家都开始进行研制，但从目前的情况来看，大多频率只做 到了 18GHz,而且性能也比较差。国内的SMPS以及1.0mm高频率毫米波同轴连接 器目前还处于空白阶段山。与国外厂家相比，国内厂家生产毫米波连接器的历史短，大多还是技术跟踪 与样品仿制，对其设计理论和质量控制并没有深刻理解，国内厂家在进行毫米波 同轴连接器的生产时，主要是通过采用比订单量多生产、层层筛选的方式来选出“合格品。这说明整体能力的欠缺,产品质量的可控性低。即使是选出的“合格品。后续使用中也存在如内导体移位、绝缘介质松动等问题。这些质量隐患对整机系 3电子科技大学硕士学位论文统的可靠构成潜在威胁。(4)性能低很多毫米波同轴连接器与国外性能差距很大，如SMP、SMPM产品的电压驻 波比与插入损耗值比国外的值都大很多，这是由于在产品结构设计以及绝缘介质 材质的选择、工艺技术等方面都与国外存在较大差距。(5)市场占有率低国内射频连接器生产厂家是民用通信系统的主要供应商，这不包括上面所提 到的如QMA、SMP-MAX等国外专利的产品。在军用市场方面，主要也是提供 18GHz以内的射频连接器。频率30GHz及以上的毫米波同轴连接器绝大部分还是 国外供应商占有。1.2.2 国外发展现状国外射频同轴连接器的研发和生产厂家主要有雷迪埃(RADIALL)、激讯(HUBER+SUHNER Group)罗森博格(Rosenberger泰科、安菲诺。这些厂家 理论基础研究扎实，研发能力强，在同轴连接器的高频率、小型化、高可靠等方 面一直是行业的引领者；他们之间又形成产业联盟，互相进行专利授权或交换专 利，阻止其他厂家进入，形成了在高端射频连接器市场的垄断；近些年来，国外 这些行业巨头纷纷进入中国市场，成为了中国军用毫米波同轴连接器市场间接的 主要供应商。30GHz以上高端毫米波射频同轴连接器生产上，主要集中在欧洲和美国，但 美国企业通过全球并购，泰科(TYCO)收购法国苏里奥(Souriau)德国德驰(Deutsch)等等，正有把全球高端连接器控制在美国之下的趋势。从技术水平上看，欧美企业40-65G毫米波射频同轴连接器已经成为货架产品，65G以上的产品已经研发完成，主要是用于宇航和高可靠的高端射频同轴连接器。下面就欧美几个主要毫米波射频同轴连接器企业做一个简单介绍：(1)雷迪埃(RADIALL)雷迪埃(RADIALL)集团的总部位于法国巴黎，是一家专门从事射频同轴连 接器、射频线缆组件、天线、光纤连接器及其光缆组件、微波元器件、微波开关 和多插针连接器研制和生产的全球知名企业，是全球军用射频连接器的第一大供 应商。该公司提供的互连元件主要是射频/同轴连接器的产品服务于民用航空，军用 航空、航天市场，汽车、电信、信息技术网络、仪器仪表、测试和测量、医疗和交 通。目前RADIALL是波音公司唯一指定航空连接器全球供应商，公司全球的营业 额已超过3亿美元。产品主要市场集中在军用/航空(Military/Aerospace)市场，4第一章绪论是我国航天五院“优秀供应商工目前我厂与该单位在4G通讯领域已开展了合作,并在毫米波射频连接器方面已达成合作意向。(2)德国罗森伯格高频技术公司(Rosenberger)德国罗森伯格公司是一家全球化的、规模化的、多元化的专业科技工业公司。罗森伯格公司创立于1958年，起步于高速互连技术行业。公司于1967年进入同 轴连接器领域，并逐步全面涉足高频技术领域。经过一系列突飞猛进的发展，如 今罗森伯格公司已经成为世界高频和光纤通信连接技术方面的领先者。主要业务 囊括移动通信、固网通信网络、测试和测量、楼宇/数据中心、汽车电子连接产品、多网融合/光纤接入网等领域。主要市场集中在中低端的通信/数据通讯(Telecom/Datacom)市场。该公司产品主要为民用类型，其技术与本项目引进需 求存在不对口、不达标的风险。(3)瑞士漱讯集团(HUBER+SUHNER Group)瑞士激讯集团于1969年成立，是全球领先的射频同轴连接器和光学连接器元 件及系统方面的供应商，其产品被广泛应用在通信、工业以及交通领域。该公司 可提供射频、光纤、电缆和聚合体技术的全方位专业技术知识。瑞士潮讯集团在 全球15个国家设有分公司。激讯公司是全球射频、光纤及低频产品的优质供应商，主要涵盖通讯、交通和工业三大民用市场领域。潮讯为射频微波测试测量行业提 供高性能电缆及电缆组件、连接器及各类无源器件等解决方案。但在军工射频连 接器领域，特别是超高频率的射频连接器技术方面与上述两家相比，还存在较大 差距。上述三家公司为射频连接器业内领先者，均有主流品种的毫米波射频同轴连 接器稳定供货，但由于公司定位不同，其特色也不尽相同，详见表1-2。雷迪埃擅 长军用标准产品的设计制造，罗森伯格擅长民用微波通讯连接器的设计制造，激 讯集团则在射频光电混合传输组件领域造诣深厚。因此，从军事应用方面来说，雷迪埃公司具备较强的技术实力。表1-2国外知名研制单位状况对比表厂家从业领域技术水平雷迪埃军用航空、航天市场，汽车、电信、信息技术网络、仪 器仪表、测试和测量、医疗和交通高罗森伯格移动通信、固网通信网络、测试和测量、楼宇/数据中 心、汽车电子连接产品、多网融合/光纤接入网等高激讯通讯、交通和工业等民用市场较高5电子科技大学硕士学位论文国外毫米波射频同轴连接器已广泛应用于微波通讯、航天、航海武器系统及 微波测量设备等领域。国外毫米波射频连接器一直处于技术领先，主要原因在于：(1)基础科研水平高，高频高速传输理论研究和经验积累丰富；(2)相关高性能材料基础水平高；(3)高精度制造设备技术先进，工艺水平高；(4)生产过程精细化管理水平高；(5)质量过程控制能力和综合验证能力强，测试技术先进。其主要表现为：(1)频率范围广国外毫米波射频同轴连接器已开始广泛应用6080GHz频率，另外1.0 mm同 轴连接器工作频率可达110GHz,主要应用于毫米波测试系统。(2)可靠性高国外同轴连接器的生产数量严格按照订单数量执行，生产出来的产品可以保 证100%合格，说明其设计、制造、测试各个环节都得到了有效保证。产品具有极 高的可靠性。(3)品种齐全国外射频连接器界面形式和装连方式多样，品种规格丰富齐全，选择范围广。从常规型号到特殊小型化、高性能型号一应俱全。国外公司产品提供多样化的装 连方式，螺纹式、直插式的，最近大量推出了 SMT表面贴装型的毫米波射频同轴 连接器。SMT表面贴装与普通的THT通孔焊接技术相比，不但机贴方式提高了组 装效率，同时贴装可以避免印制板开孔，提高了印制板的利用效率，减少了焊接 引脚的对外辐射，也减小了对系统的信号干扰。因此，表面贴装连接器的应用越 来越广泛。(4)高性能要求毫米波同轴连接器具有极低的电压驻波比以及插入损耗，这对于毫米波 发射系统来说是至关重要的，低驻波、低损耗保证了发射效率和大功率发射系统 的安全，同时也符合绿色低耗的环保理念。(5)产品一致性好在毫米波天线阵的板到T/R组件板之间，需要同时实现几十甚至几百路射频 信号的传输，此类连接器采用推入式一次插合。为克服印制板开孔孔径、孔距的 累积误差，保证所有连接器实现可靠接触和信号传输，要求连接器必须具备很高 的一致性，确保容差(径向、轴向)性即高精度安装指标满足多路阵列的柔性可 6第一章绪论靠连接。（6）市场占有率高，价格高全球射频同轴连接器目前的市场规模近30亿美元。国外厂家在高端连接器市 场占有全球近80%的市场份额。雷迪埃的高性能毫米波同轴连接器在欧美市场占 到了近20%的份额，同时雷迪埃也是日本毫米波同轴连接器市场的主要供应商之 一。市场占有率高形成了卖方的价格掌控权，进口毫米波连接器的价格长期居高 不下。雷迪埃是中国军用市场的主要供应商，其高性能毫米波射频连接器占国内军 用市场的30%以上，其产品用户包括航天二院、航天五院、014中心、中电14所、29所、10所、783厂等国内主要电子军工企业。毫米波连接技术是军用通讯关键技术之一，毫米波射频同轴连接器是毫米波 电子装备中非常重要的新型关键元器件。我国在此领域经过长期摸索，虽然获得 了一定科研成果，但终因起步较晚，发展缓慢而导致实际技术水平较差，与国外 差距明显。1.3 本文研究的主要内容高频段毫米波射频同轴连接器（65GHz及以上）国内目前处于空白状态，本 研究工作将通过与国外某毫米波射频同轴连接器顶级生产制造商进行技术合作，全面掌握40-65GHZ毫米波射频同轴连接器设计制造及检测技术，实现高端毫米波 连接器国产化，并逐步替代进口。鉴于国内毫米波射频同轴连接器研制基础较为薄弱，本文先以40GHz频段的 毫米波射频同轴连接器为主要研究对象，然后在此基础上进行技术扩展，对65GHz 高频段毫米波射频同轴连接器进行研制，填补国产65GHz频段毫米波射频同轴连 接器的空白。研究工作先进行对国内外行业技术状态的研究，为后续的产品工程 设计提供定位基础，并可在后期为研究成果的推广应用指明方向。本文将在调研 国内外行业差距并进行状态分析的前提下对毫米波射频同轴连接器的关键设计技 术进行研究，并以理论联系实际，实现“设计理论系统、研制样品合格”的研究 目标。限于篇幅，本文将只针对毫米波射频同轴连接器的技术发展趋势、基本理论 和关键设计技术进行研究，关于制造工艺和检测技术的研究，以及后续如何推广 应用的研究将作为不同的研究课题另文探讨。7电子科技大学硕士学位论文第二章毫米波及毫米波射频同轴连接器2.1毫米波毫米波（millimeter wave）是波长为110毫米的电磁波，它的频谱位于微 波和远红外波相交叠的范围，包含狭义上的毫米波和更短波长（0.1-lmm）的亚毫 米波，兼有微波和远红外波两种波谱的特点。具体频谱分布参见图2-1。图2-1电磁波频谱表毫米波主要具有以下特点：（1）带宽极宽。一般来说，学术上认为的毫米波的频率范围为30300GHz,对应的波长为带宽高达270GHz。超过从直流到厘米波全部带宽总和的 10倍。即使考虑大气吸收，在大气中传播时只能使用四个主要窗口，但这四个窗 口的总带宽可达135GHz,为微波以下各波段带宽之和的5倍。毫米波可利用的 频谱范围宽，信息容量大，能有效扩展可利用的频率资源。（2）波束窄。毫米波波长较短，在相同天线尺寸下可以实现较窄波束的发射 和接收，提高了天线的增益，因而分辨率高，抗干扰性好。例如一个12cm的天 线，在9.4GHz时波束宽度为18度，而94GHz时波束宽度仅1.8度。正是由于 这个特性，毫米波雷达可以分辨更小的目标，也可以提高对大目标观测的清晰度。（3）抗外界干扰能力强。毫米波传播过程中受天气和气候的影响比激光要小 得多，具有全天候特性。（4）易小型化。毫米波元器件的尺寸比一般的微波器件要小得多，设计毫米 8第二章 毫米波及毫米波射频同轴连接器波系统时更容易小型化。（5）对等离子体的穿透能力很强。（6）多普勒频移大，应用于测速领域时，有利于提升精度和灵敏度。（7）相关元器件加工精度要求高，技术难度大。2.2 毫米波射频同轴连接器连接器是用于电子设备间电气互联的电子元件，射频连接器是用于电子设备 仪器上实现电气连接和分离作用的高频元件。射频连接器具备良好的宽带传输特性及多种方便的连接方式，在通信设备、武器系统、仪器仪表及家电产品中的运用越来越广泛。随着整机系统的不断发展 和生产工艺技术的不断进步，射频连接器的发展也日益提速，新型号、新规格乃 至新的结构形式不断涌现，朝着小型化、微型化、高频率、多功能、高性能、大 功率的方向发展。毫米波射频同轴连接器是工作在毫米波频段上的射频同轴连接器，当前毫米 波射频同轴连接器重点解决30G-110GHz高频率传输的连接问题。为了获得传输 的低损耗和较低的电压驻波比，毫米波射频同轴连接器的尺寸进度和性能指标要 求非常高。毫米波射频同轴连接器的应用和发展是对整机装备小型化、轻量化要求的一 个重要体现，其对波导系统的替代使得整机装备的高频段互联系统体积大为缩小,拆卸复杂程度大幅降低。目前主要的毫米波射频同轴连接器型号见表2-1 o表2-1毫米波射频同轴连接器主要规格型号及指标序号产品系列频率范围（GHz）电压驻波比插入损耗（dB）1SMPMDC 651.500.1a/F22.92mm(K)DC 461.200.03a/F32.4mmDC 501.200.03a/F41.85mmDC 671.300.03a/F5SMPDC 401.350.12dF61.0mmDC 110(4.3)=(G+j爪)Uu-z I-Z d-d d-d-式(4.3)是一个一阶常微分方程，描述了均匀传输线上每个微分段上电压和 电流的变化规律，可以解出线上任一点的电压和电流以及它们之间的关系。24第四章 基本理论和方法对式(4.3)求解。设:J(R+jL)(G+j4)=y7为复数，记为7=a+jj3并对式(4.3)的等式两边对z再次进行微分，可得：d2U 2-2-7 U=0dz d2 I 2 nv-/I=0 dz J(4.4)式(4.4)是一个二阶常微分方程，叫做均匀传输线的波动方程，其解为：(力二4已小+4J、(4.5)Kz)=一(4 厂一心/)Zo J其中：_二 Jr+jL(4.6)Zo-VG+jCAi和A2为积分常数，由传输线的边界条件确定。通过以上理论分析和计算，可以掌握传输线理论的基本原理和计算方法，并通过 微分方程形式表达出来，其解对掌握传输线的基本特征有重要作用。4.1.2传输线基本特征参数通过传输线方程和求解的过程可以看出，在传输线上电压和电流的变化呈现 波动性，并可通过对解的通式(4.5)进一步分析，得到一些描述传输线基本特征 的参数。式(4.5)中，传输线上任一点的电压U(z)为A与A2。之和，其中A表示沿着+z方向传播的电磁波，称为入射电压；A2e表示沿着-z方向 传播的电磁波，称为反射电压，且入射电压和反射电压均为行波。传输线上任一 点的电流I(z)也同理分为入射电流和反射电流。传输线上，入射电压与入射电流之比称为传输线的特性阻抗，反射电压与入 射电压之比称为传输线的反射系数，总电压与总电流之比称为传输线的输入阻抗。(1)特性阻抗传输线上入射的电压与电流之比称为传输线的特性阻抗。按照传输线方程的 通解式(4.5)进行推导，可以得到一个与传输线本身参数相关的常数：Ir+j(vLG+25电子科技大学硕士学位论文单位为欧姆，记作Zo,即传输线的特性阻抗，见式（4.6）。对于工作在较高频率 的无耗传输线或低耗传输线而言，总有RgL、GC,所以，式（4.6）可简 化为：1Zo x(4.7)可见，在无耗或微波的情况下，传输线的特性阻抗为纯电阻。（2）传播常数式（4.5）中参数/称为传输线上波的传播常数，是描述入射波和反射波的衰 减以及相位变化的参数，一般情况下为复数，其实部a称为衰减常数，虚部尸称 为相移常数。/一般是频率的复杂函数，应用起来很不方便，需要根据情况予以简 化。对于线路无损耗的情况下，a值为3 B=强。传输线上行波的波长和相 速度都与月有关。（3）反射系数传输线上传播的波一般都是入射波和反射波的叠加。传输线性能的好坏主要 取决于波在传输过程中的反射情况，把传输线上某点的反射电压（或反射电流）与入射电压（或入射电流）的比值定义为传输线的反射系数，记作屋反射系数随位置变化，反映了入射波和反射波之间大小的差异以及相位的变 化。有一种特殊情况，就是当传输线无耗时，传输线上任一点的反射系数的模值 均相等，都等于终端反射系数的模值，即FHRI。R为终端反射系数，值为：U2-I2 Zo Zi-Zor2=-=-（4.8）U2+：2 Zo Z1+Zo其中，U2和12为在传输线终端测量的电压和电流值，Z1是负载电阻值。这一结论非常重要，说明的是无耗传输线上任一点处的反射波与入射波虽然 相位有差异，但其振幅的比值是一个常数。反射系数是一个复数，不便于测量。工程上为了测量方便，引入了驻波系数 的概念。驻波系数也称为电压驻波比，记作P，也常用英文缩写VSWR（Voltage Standing Wave Ratio）来表示。它的值等于传输线上相邻的波腹点和波谷点的电压 振幅之比,即:=2或：VSWR=26第四章 基本理论和方法其倒数称为行波系数，记为K,即有K=l/p。对于无耗传输线，有：(z)=I(z)=艮即(4.10)其中，IT?和2为终端处入射波的电压和电流。可以看出，无耗传输线上不 同点的电压和电流的振幅是不同的，以入/2为周期进行变化，在同一个周期内，电 压和电流的最大值最小值分别为：|umax|=M(1+|r2|)|urain|=冏(i(4.11)将式（4.H）带入式（4.9）可得:1-r2(4.12)1-r2(4.13)可以看出：VSWR=1时是理想行波状态，没有反射形成的驻波，行波比K二l；VSWR=oo时是完全驻波状态，电磁波不能传播，行波比K=0；当lVSWRoo时是行驻波状态，行波系数0K3D时，绝缘支撑对传输的影响将会 减小现。在实际设计工作中，因涉及安装尺寸和界面尺寸的要求，就对同轴连接 器的长度尺寸