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快插自锁型N连接器分析
作者:安诺生
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连接器/插头展厅
接插件, 连接器, 重载连接器, 插座, 插头, ...
在射频同轴连接器家族中,应用最广泛的中功率连接器就是 N 型。普通N 型的工作频段是DC-11GHz,而精密N 型可以工作到18GHz。传统的N 型是螺纹连接方式,使用时不够便捷并且需要专用工具,一款可以快速连接并且性能出色的快插自锁的 N 型连接器可以解决这个问题。

· 设计原则

自从 20 世纪40 年代Paul Neill 在贝尔实验室发明N 型连接器以来,历经工程师们的不断改进,N 型连接器才达到了现在出色的电气性能。基于当前N 型连接器的性能表现,我们认为QUICK LOCK-N 的设计应该遵循以下两个原则:

1) 保持N 型连接器的基本性能,如性能参数、电气性能、机械性能、防护等级等。

2) 从设备小型化、材料节省的角度出发,要求连接器的结构要更简单小巧。

· QL-N 发展沿革

有了以上的设计原则,我们来研究一下QL-N 设计历史沿革中陆续出现的三款典型设计,它们分别是QLF’S QN、SnapN 和HPQN。

我们通过这三种快插N 型与普通N 型的性能对比,从而给代替普通N 型的三种设计一个评价。

· QLF’S QN

1) 2002 版本QLF’S QN (如图1)

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图 1 QLF’S QN(2002)

优点:能实现快插、自锁功能,并有一个密封圈(Seal Ring)。

存在问题:外导体接触端面有间隙(A1 处),外导体处在不稳定状态,使特性阻抗不连续。

2) 2003 版本QLF’S QN (如图2)

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图 2 带波纹垫圈的QLF’S QN(2003)

优点:利用波浪垫圈 B2 的弹性来消除接触端面的间隙,外导体接触比2002 年版本有改进。

存在问题:外导体(A2 处)接触点仅为有限的几个点,特性阻抗不连续,高频性能较差。

3) 2004 版本QLF’S QN (如图3)

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图 3 碟形弹簧片的QLF’S QN(2004)

进步:由波浪垫圈改为碟形弹簧片 B3,外导体接触由几个点扩展成一个圈,接触压力也有所改善。

存在问题:在接触点处 A3 的特性阻抗仍不能连续,高频特性仍较差。

最新04 版本的QN 已经在一些WIRELSS BASESTATION 应用,但通过以上分析可见其Spring Lock 设计上的致命缺陷,导致了外导体间阻抗的不连续,从而只能应用在不超过3GHz 的一些场合。

总体而言,三个版本的QN 设计实现了块插自锁,这无疑是一大进步;但由于上述两个弊病,QN 只能在某些特定的场合替代N 型,而不能实现对N 的完全替代。

· SnapN (如图4)

也许是意识到 QN 的设计缺陷会导致应用场合的局限,作为有权使用QN 设计的QLF 联盟成员之一的ROSENBERGER 并没有放弃对QUICKLOCK-N 更佳设计的追求,06 年他们在刚刚加入QLF 后就推出了更新版SnapN 设计,这个设计的特色是:

1) 这个设计巧妙地把弹簧片设置在公头外导体后部,让公母头的外导体端面之间实现刚性接触,从而达到端面零间隙,完全符合平面接头的设计原则,使接头性能得到较大提高,这与QN 把簧片设置在两外导体端面之间相比,显然是一个进步。

2) 母头保留了5/8’’外螺纹,可以跟标准N 公头相配。

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图 4 SnapN

由图可见 SnapN 的公母头相配后,外导体阻抗是连续的,并且端面之间因弹簧作用而保持接触压力, 这样的设计符合 RF 接头设计的基本原则,所以较之QN,SnapN 的应用范围更广。

但跟传统的螺纹连接的N 相比,SnapN 还是有局限性。我们知道 SnapN 外导体端面之间的接触压力由其弹簧A 提供--ROSERBERGER 提供的数据是30N,根据力的相互作用原理,我们可以知道接头的结合力也是30N。在某些应用场合,由于粗重电缆的摆动,传导到接头的作用力很容易超30N,一旦超过这个临界力,外导体端面之间会发生瞬时分离,而影响信号传输。那是否能提高这个临界力呢?我们知道,弹簧A 对外导体端面提供的接触压力与接头的结合力是等量的,如果我们增加弹簧作用力---比如增加到100N,那意味着接头结合力也达到100N,显然,匹配一对接头需要用100N 的力气是让人无法接受的。

另外一点不完美的地方是 SnapN 的外导体是裸露在外部环境中的,并铣了四分槽,这会容易导致碰撞变形。从制造成本来说,SnapN跟QN 比没有优势,甚至略有超出。

可以看出,由于SnapN 保留了N 型的基本性能和参数,已经可以在大多数场合替代N 型。但上述瑕疵的存在表明,要实现对N 型的完全替代,SnapN 的设计还需要改进。

· HPQN (如图 5)

继 SnapN 之后,07 年Anoison 推出了HPQN 设计,该设计在公头内嵌入一双齿环碟形锁紧片(如图6),当公头和母头配合后, 固定在公头上的双齿环碟形锁紧片紧扣在母头斜面上,其内齿的端面对母头产生推力作用,使外导体的端面之间紧密接触,间隙为0。并且双齿环碟形锁紧片相邻的内齿长度有差异,使锁紧时内齿停留在母头斜面的不同圆周上。这种设计利用双齿环碟形锁紧片内齿的弹力和母头斜面的支撑力,巧妙地实现了公头和母头端面之间的保持力和接触压力,并能达到非常好的抗震效果。该设计的力学原理很简单,但是锁紧片与母头相对最佳位置的数据需要经历大量的试验。

我们知道,传统N 型之所以能达到DC-11GHZ,是因为其接触界面间隙为零,阻抗连续。Anoison 新设计的HPQN 遵循这一规则,实现了外导体端面的刚性接触,达到了接触端面零间隙的目的,由此保证了阻抗连续,保持了N 型的性能指标。

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图 5 HPQN

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图 6 双齿环碟形锁紧片

综上可见,HPQN 是继QLF’S QN, SNAPN 之后的最新一代的QL-N 设计,能在各种应用场合全面地替代传统N 接头而不牺牲任何性能。但还不能说HPQN 一定能成为N 的最终替代者。QL-CONNECTOR 市场的巨大需求,让制造商在短短的几年内就陆续推出了三款QL-N 设计,激烈的市场竞争必定促使各厂家不断加强研发力度,将来是否会有更好的设计替代HPQN,我们拭目以待。
文章内容仅供参考 (投稿) (2010-1-22)
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