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快插自锁型SMA和N连接器解决方案及分析
作者:安诺生
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快插自锁型SMA(QMA)和N 型(QN)连接器最早由Huber+Suhner 和RADIALL 推出,并联合AMPHENOL RF 和ROSENBERGER 结成QLF 推广联盟, 目前市场上QMA 和QN 产品主要出自这四家公司。

下面我们试图通过对他们的设计分析和横向对比来阐明我们的新QMA 和QN 设计思路。

■QMA(QUICK LOCK SMA)

我们先来看替代SMA 的QMA,以下是QLF 的QMA 设计方案。
分析:

·2004 版本,见(图1):

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这种设计能做到接近SMA 的比较高的工作频率,但还存在一些小问题:

1)该 QMA 没有使用防水密封圈,这样会造成有害气体及水气侵入,由此导致接触导体的可靠性变差。
2)该 QMA 弹簧锁(见图1 标注A)需要用铍铜制作,成本较高。
3)该 QMA 公母头相匹配后,内导体的接触有效长度太少,只有1.6mm,而传统SMA 的有效接触长度是2.3mm,这会导致多次使用后内导体的接触可靠性降低。

与ANOISON(安诺生)QMA 的对比:

通过上面的分析我们认为现有QLF 版本QMA 还有改进余地,事实上我们公布的新版的QMA(见图2)已经很好的解决了以上问题。

1)我们的防水设计非常巧妙,公头外导体孔槽内的 O 型密封圈在母头外壳斜面的挤压作用下,产生非常好的密封和抗震效果。

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2)我们的 QMA 公头弹簧锁是不锈钢制作,成本仅仅是铍铜弹簧锁的1/10,我们称之为双齿环碟形锁紧片(如图5)。该双齿环碟形锁紧片设有内齿;在插座连接器的外导体上设有周向的横截面呈梯形的凸起,该凸起的横截面具有上坡、平顶和下坡,这样,在连接过程中,所述内齿由斜坡上升至平顶达到最大弯曲变形,到达下坡时,发生了弯曲变形的内齿沿下坡的切线方向趋于恢复原状,最终内齿停留在下坡或下坡与平谷的交界处;内齿的端面对下坡的法线方向产生推力作用,使端面与端面紧密接触,间隙为0,并保持较大轴向作用力(这个轴向作用力对能否获得较好的互调性能很大影响)。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下坡的不同圆周上,较长的内齿与下坡的夹角≥90°;而较短的内齿与下坡的夹角≤90°(图3)。这种设计能达到非常好的保持力和抗震效果,完全能满足军用要求。并且QMA 的有效插拔次数达到200 次以上。

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3)我们认为应该保持 SMA 的有效接触长度2.3mm,我们的设计很容易就实现了这一点。

两点说明:

1)我们的QMA 公头可以100%跟QLF 版本QMA 母头互配。
2)另外从节省空间和材料的角度考虑,我们还特别设计了MINI 版本的QMA,我们称之为Mini-QMA,(如图4),他们具有同样出色的性能表现和更小的体积。

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■(QN)QUICK LOCK N

我们来看下QLF 发起人HUNER+SUHBE 陆续发布过的3 个版本的QN。

分析:

·2002 版本,见(图5)

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2002 版本成功地从螺纹连接结构转变为快插、自锁结构。

优点:

1.提高了连接器装卸效率,达到了快插、自锁,不用工具。
2.减小了外形尺寸,减轻了重量 20%—40%,节约了铜材20%—50%。
3.提高了连接器的安装密度,节省了安装空间。
4.连接器安装后可以 360°旋转。
5.连接器安装拆卸的培训简单。

缺点:

1.零件加工精密要求高,电气接触面之间间隙大小完全受零件加工精度控制。
2.接触面有间隙无接触压力,会影响驻波和高互调性能

·2003 版本,见(图6)

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2003 版本在2002 版本的基础上作了改进。

优点:

1.在连接器的接触界面增加了一片波浪垫圈。利用波浪垫圈的弹性来增加轴向压力并消除接触端面的间隙。
2.降低了接触电阻,有利互调性能的改进。

缺点:

连接器接触端面利用波浪垫圈的弹性解决了间隙问题,但在整个圆周面点上仅有几个点而已,在该点周围的阻抗仍没有达到很好的匹配,电磁波在该点上会引起反射。该连接器使用在DC—1.5GHZ 较好,1.5—3G尚可。如果3—6GHZ 驻波会偏大,6—11GHZ 驻波将会更大。

·2004 版本,见(图7)

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2004 版本在2003 版本的基础上又作了进一步的改进。

优点:

1、连接器接触面由波浪垫圈改为放射状的碟型弹簧片,增加了轴向压力,减小了接触电阻,提高了接触稳定性。

2、由于改用了放射状的碟型弹簧片,它与接触端面接触时已不再是几点,而是整个圆周。这样更有利于互调性能的改善,驻波的减小和更低的插入损耗。

缺点:

1、外导体的接触端面采用了尖端,与放射状的弹簧片的作用下,产生较大的轴向压力,接触电阻得以改善。但同时由于尖端和弹簧作用的领域是个不规则的几何形状, 用传输理论推导newmaker.com就会发现该段的特性阻抗是不连续的,会引起较大反射。尤其在传输高频率电磁波时影响更大。DC—1.5GHZ 驻波很好,1.5—3GHZ 驻波可以接受,3—6GHZ有些场合可能影响使用,6—11GHZ 会更差。

ANOISON HPQN 连接器:

对于最新版本2004 版的QN 的问题,我们认为还可以做以下改进:

SMA、N 和APC-7 精密平面接头三种经典的射频同轴连接器之所以能做到频带宽,VSWR 小,是因为他们的接触界面间隙为零,阻抗连续,几乎无反射。而QLF 版本的QN 采用弹性接触端面肯定会导致阻抗不连续。所以我们认为应该沿用N 型的刚性接触,保证接触端面阻抗连续,使QN 能保持N 的电气性能:DC—11GHz VSWR≤1.25, 精密型QN 达到DC-18GHZ VSWR ≤1.08。

ANOISON 新设计的HPQN(HIGH PERFORMANCE QUICK-LOCK N)遵循这一规则,在与QMA 同样结构的弹簧锁的作用下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,并且接头所用材料仅是QLF 版本QN 的80%,(如图8)

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(end)
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