Кива ДЖУРИНСКИЙ, к. т. н.

Анатолий КАЛИНИН

Этот e-mail адрес защищен от спам-ботов, для его просмотра у Вас должен быть включен Javascript

Американская компания Southwest Microwave, Inc. основана в 1981 году. А в 1987 году было создано ее отделение (Microwave Products Division) для разработки и производства радиочастотных соединителей с улучшенными электрическими параметрами: минимальным КСВН, высоким экранным затуханием и малыми потерями СВЧ. Эти соединители были предназначены, прежде всего, для линий передачи сигналов миллиметрового диапазона длин волн, а также для работы при повышенных температурах. По объему и номенклатуре выпускаемой продукции Southwest Microwave уступает таким мировым лидерам, как Amphenol, Tyco, Radiall, Rosenberger, Molex. Однако Southwest Microwave производит все наиболее применяемые типы соединителей (более 200 моделей) для диапазона частот 18–50 ГГц с уникально высоким уровнем параметров.

Продукция компании Southwest Microwave

Для применения в изделиях микроэлектроники СВЧ компания Southwest Microwave выпускает радиочастотные соединители следующих типов: SMA (Super SMA), N, TNC, 2,9 мм (JK), SSMA, 2,4 мм (табл. 1), адаптеры, кабельные соединители и концевые соединители для печатных плат [1, 2]. Кроме того, компания производит приспособления и инструмент для работы с соединителями. В своей технической документации Southwest Microwave приводит подробные рекомендации по применению выпускаемых соединителей.

Таблица 1. Соединители Southwest Microwave и их предельные частоты

Разработано большое число конструктивных вариантов фланцевых и резьбовых соединителей (рис. 1). Southwest Microwave выпускает только составные соединители: сочетание СВЧ-разъема и 50-омного металлостеклянного ввода или штыря (pin) [3]. Ввод впаивают в корпус изделия. Соединение внутренних проводников ввода и разъема происходит при введении центрального проводника ввода в цангу на внутреннем проводнике разъема. Разъем с фланцами квадратной, прямоугольной или усеченной прямоугольной формы с 4 или 2 отверстиями крепится винтами к корпусу изделия. Имеются также и резьбовой вариант СВЧ-разъемов (thread-in), когда разъем вкручивается в корпус изделия. В случаях, когда герметичность изделия не регламентируется, вместо металлостеклянного ввода применяют заменяемые штыри, вставленные во фторопластовый изолятор или без него. Такие составные соединители (field service connectors, field replaceable connectors — соединители, заменяемые в полевых условиях) предпочитает выпускать большинство зарубежных производителей. Их главное достоинство— возможность замены неисправного СВЧ-разъема без разгерметизации изделия. Выбор составного соединителя определяется диаметром центрального проводника ввода или штыря и типом фланца разъема (табл. 2).

Рис. 1. Резьбовой и фланцевые (квадратный и усеченный прямоугольный фланцы) соединители

Таблица 2. Фланцевые и резьбовые соединители Southwest Microwave

Примечание: «+»— имеется, «–» — отсутствует

Набор разъемов с фланцами разных типов под центральные проводники вводов иштыри диаметром от 0,23 до 0,91 мм позволяет применять их для соединителей всех типов, указанных в таблице 1.

Компания Southwest Microwave разработала составные соединители всех типов для следующих применений (рис. 2):

• С металлостеклянным вводом. Разработана серия из 8 моделей таких вводов с разными диаметрами центрального проводника (табл. 3).
• С заменяемым штырем, вставленным во фторопластовый изолятор.
• С заменяемым штырем, заканчивающимся ленточным контактом (tab) толщиной 0,076 и 0,1 мм.
• С вставленным во фторопластовый изолятор заменяемым штырем, заканчивающимся ленточным контактом.

Рис. 2. Способы применения составных соединителей: а) c металлостеклянным вводом; б) с круглым штырем в изоляторе; в) со штырем с ленточным контактом; г) со штырем с ленточным контактом в изоляторе

Таблица 3. Металлостеклянные вводы Southwest Microwave

Обозначение вводов	Геометрические размеры вводов, мм
	Ød	ØD	A	B	C
1490G15G	0,23	1,7	0,76	1,4	3,05
1490G13G					0,66
290G06G	0,30	1,9	1,0	1,4	2,0
290G07G					0,70
290G00G	0,38	2,5	1,3	1,6	3,2
290G01G	0,46	2,8	1,8	1,5	4,6
290G02G	0,51	4,0	1,3		3,2
290G00G	0,91	6,8	2,5		4,7

Southwest Microwave выпускает 35 наименований круглых штырей и штырей с ленточным контактом с диаметром 0,23; 0,30; 0,38; 0,46; 0,51 и 0,91 мм и соответствующих им изоляторов. Внешний вид металлостеклянного ввода, штыря и изолятора показан на рис. 3.

Рис. 3. Металлостеклянный ввод, штырь и изолятор

Все фланцевые соединители контактируют с корпусом изделия прижатием к корпусу кольцевого выступа высотой 0,13 мм на фланце (контакт металл – металл). Выступ изготовлен с высокой точностью и чистотой поверхности. Такое контактирование обеспечивает экранное затухание менее –100 дБ. Компания отказалась от применения для контактирования колец из электропроводящей резины (резины с серебряным наполнителем) по следующим причинам:

1. Электропроводность такой резины хуже, чем у металла.
2. Резина теряет упругость в результате термоциклирования, и кольца приходится заменять.

Для изготовления корпусов соединителей применена пассивированная нержавеющая сталь, для внутренних проводников — термически упрочненная бериллиевая бронза с износостойким золотым покрытием. Для изготовления изоляторов используют фторопласт (PTFE Fluorocarbon) или Ultem 1000 (торговая марка General Electric, Inc.). В соединителях 2,92 и 2,4 мм с воздушной коаксиальной линией опорные шайбы, удерживающие внутренние проводники, изготавливают из Ultem 1000 и KEL-F (торговая марка 3М Company). Все применяемые материалы соответствуют требованиям NASA. Измерения КСВН и потерь СВЧ-соединителей всех типов компания производит для пары одинаковых фланцевых розеток, внутренние проводники которых цанговыми контактами соединяют между собой путем вставки в них штыря или центрального проводника металлостеклянного ввода. Фланцы соединителей прикручивают друг к другу винтами. Этот метод измерения называется “Back to Back connector testing”. Максимальный КСВН одного соединителя рассчитывают как корень квадратный из максимальной величины КСВН пары. Максимальная величина потерь приблизительно равна половине максимальной величины потерь пары за вычетом потерь в металлостеклянном вводе (если он участвовал в измерении) [1].

Параметры соединителей компании Southwest Microwave приведены в таблице 4.

Частотные зависимости средней величины пропускаемой мощности для соединителей разных типов приведены в [1]. С увеличением частоты и температуры окружающей среды мощность значительно уменьшается. Так, при температуре 120 °С она составляет 60% от номинальной.

Таблица 4. Параметры соединителей Southwest Microwave

Примечание: DC (direct current) — постоянный ток

Типы соединителей

Super SMA

В результате многолетней работы по совершенствованию стандартной коаксиальной линии соединителя SMA (линия c размерами 4,1O1,27 мм, заполненная фторопластом) компании Southwest Microwave удалось создать соединитель повышенной надежности с уникальными параметрами: предельная рабочая частота 27 ГГц, экранное затухание — менее –100 дБ (рис. 4). 
 

Этот прецизионный соединитель был назван Super SMA. Соединитель Super SMA отличается от стандартного соединителя SMA следующими конструктивными изменениями:

1. Стандартный соединитель SMA имеет гладкую, без ступенек внутреннюю поверхность наружного проводника и наружную поверхность изолятора. В соединителе же Syper SMA указанные поверхности выполнены с компенсационными ступеньками.
2. Внутренний диаметр наружного проводника розетки уменьшен с 4,1 до 3,91 мм. При этом наружный диаметр внутреннего проводника сохранен прежним — 1,27 мм. Это удалось сделать, применив для изготовления изолятора материал с диэлектрической проницаемостью 1,82 (у фторопласта диэлектрическая проницаемость — 2,0–2,05).
3. Внутренний диаметр наружного проводника вилки уменьшен с 4,1 до 3,5 мм, но так как материал изолятора оставлен прежним (фторопласт), наружный диаметр внутреннего проводника был уменьшен с 1,27 до 1,08 мм.
4. В результате этих изменений толщина стенки соединителя в плоскости контактирования вилки и розетки (reference plane) увеличилась на 38% с 0,23 (SMA) до 0,318 мм (Super SMA). Это позволило повысить жесткость конструкции, увеличить площадь контактирования и за счет этого улучшить электрические параметры соединителя Super SMA. Дополнительным преимуществом этой конструкции является лучшая совместимость с 2,9 мм соединителем в результате сближения их в плоскости контактирования.
5. При совершенствовании коаксиальной линии были учтены и скомпенсированы неоднородности, вызванные прорезями гнездового контакта с ламелями и его сужением на конце.
6. Внутренний проводник соединителя Super SMA оригинальным способом с большой точностью установлен концентрично относительно наружного проводника и жестко закреплен в нем термостойким компаундом. Известные способы закрепления (зубчиком на проводнике, запрессованным в изолятор, эпоксидным столбиком и др.) [3] были отвергнуты, так как они вносят неоднородность в коаксиальную линию. К тому же наиболее широко применяемый способ закрепления эпоксидным столбиком (патент США 3.292.117) предполагает сверление отверстия в корпусе соединителя для введения эпоксидного компаунда.

В результате этого ухудшается экранное затухание соединителя.

Конструкция и размеры области контактирования вилки и розетки (interface) соединителя Super SMA соответствуют военным стандартам MIL-PRF-39012 и MIL-STD-348 (рис. 310-1 и 310-2 в тексте стандартов). При применении в отечественных изделиях следует учитывать, что диаметр штыря вилки соединителей SMA больше, чем у отечественных аналогов (максимальные размеры 0,935 и 0,9 мм соответственно). Следствием этого может стать повреждение гнездового контакта при контактировании зарубежной вилки с отечественной розеткой.

Southwest Microwave предлагает две версии соединителей Super SMA:

1. Соединители с предельной рабочей температурой +125 °С, так называемые “Old Standard”.
2. Соединители с предельной рабочей температурой +165 °С — Extended Power Super SMA, “New Standard”. Средняя величина пропускаемой мощности (диапазон частот 12,4–18 ГГц, температура 125 °С) у этих соединителей на 100 Вт больше, чем у других соединителей SMA.

Электрические параметры соединителей обеих версий одинаковы, но соединители “New Standard” обеспечивают прохождение повышенной мощности СВЧ. Southwest Microwave выпускает значительное число составных соединителей Super SMA (125 моделей) (табл. 5).

Таблица 5. Соединители Super SMA

Примечание. В названии серии многоточие (…) означает номер модели, например 214G08SF.

Конструкция соединителей Super SMA обеспечивает температурную стабильность электрических параметров в рабочем диапазоне температур. Допустимая «рецессия» («утопание ») фторопластового изолятора относительно плоскости контактирования вилки и розетки не превышает 0,075 мм. При повышении температуры изолятор расширяется на величину менее 0,075 мм и не выступает за плоскость контактирования. С противоположной же стороны изолятор не может расширяться. Благодаря такой конструкции в соединителях Super SMA не происходит нежелательное продольное перемещение внутреннего проводника при повышении температуры.

Параметры соединителей Super SMA приведены в таблице 4.

Следует отметить уникально высокий уровень параметров этих соединителей. Типичная величина экранного затухания для соединителей SMA большинства других компаний равна –(75–85) дБ. За счет совершенствования конструкции Southwest Microwave удалось более чем на 15 дБ по абсолютной величине улучшить экранное затухание выпускаемых соединителей.

Соединители N и TNC

Interface вилки и розетки соединителей N и TNC компании Southwest Microwave соответствуют стандартам MIL-PRF-39012 и MIL-STD-348 (рис. 304-1 и 304-2 (соединитель N) и рис. 313-1 и 313-2 (соединитель TNC)). Разработаны составные фланцевые соединители: розетка с квадратными фланцами 12,7O12,7; 17,4O17,4 и 25,4O25,4 мм и вилка с квадратными фланцами 17,4O17,4 мм (TNC) и 25,4O25,4 мм (N) (рис. 5, табл. 6).

Таблица 6. Соединители N и TNC

Корпусы соединителей N и TNC изготовлены из пассивированной стали, внутренний проводник розетки — из упрочненной бериллиевой бронзы с золотым покрытием, изолятор — из фторопласта (Virgin PTFE Fluorocarbon). Внутренний проводник закреплен в корпусе при помощи материала ULTEM 1000.

Следует отметить, что конструкция соединителя TNC делает невозможным его высокочастотный пробой при разрежении окружающей среды, что позволяет применять его в условиях космоса.

В диапазоне частот DC–18 ГГц максимальный КСВН соединителя N, модель 312-15SF, со штырем диаметром 0,51 мм, и соединителя TNC, модель 412-33SF, со штырем диаметром 0,38 мм, равен 1,07.

По своим параметрам соединители N и TNC превосходят аналоги других зарубежных компаний (табл. 4).

Соединители SSMA

В составных соединителях SSMA реализована коаксиальная линия с размерами 2,8O0,85 мм, заполненная фторопластом. Interface вилки и розетки соответствует стандартам MIL-PRF39012 и MIL-STD-348 (рис. 319-1 и 319-2). Компания Southwest Microwave выпускает фланцевые и резьбовые составные соединители (табл. 7, рис. 6).

Таблица 7. Соединители SSMA

Параметры соединителей SSMA приведены в таблице 4. Соединитель SSMA, модель 114-18SF, со штырем диаметром 0,23 мм, в диапазоне частот DC–40 ГГц имеет максимальный КСВН 1,1 и величину потерь 0,1 дБ.

Рис. 5. Соединители N и TNC

Рис. 6. Соединители SSMA

2,92 мм соединители

Соединители 2,92 мм компании Southwest Microwave предназначены для применения на частотах до 40 ГГц. Серия JK этих соединителей была создана для замены соединителя «K» компании Anritsu, применявшегося в лабораторной радиоизмерительной аппаратуре. Соединители Southwest Microwave отличаются от аналогов внутренней конструкцией, но имеют одинаковые с ними стандартные присоединительные размеры в соответствии с требованиями стандартов MIL-PRF-39012 и MIL-STD-348 (рис. 323-1 и 323-2).

В 2,92 мм соединителях реализована воздушная коаксиальная линия с размерами 2,92O1,27 мм, внутренний проводник которой закреплен в опорной диэлектрической шайбе. Southwest Microwave, в отличие от других компаний, ввела в конструкцию 2,92 мм соединителей вторую диэлектрическую шайбу, которая обеспечивает бoльшую жесткость конструкции и защищает внутреннюю поверхность соединителя от пыли и загрязнений. Обе шайбы изготовлены из термостойкого диэлектрика Ultem 1000. Как и в соединителе Syper SMA, диаметр штыря вилки может быть в пределах 0,914–0,935 мм. Southwest Microwave выпускает (рис. 7):

 


Рис. 7. 2,9 мм (JK) соединители
• фланцевые составные соединители «розетку » и «вилку» с квадратными фланцами 12,7O12,7 и 9,5O9,5 мм, серии 1012-ххSF (розетка) и 1011-ххSF (вилка) — 6 моделей;
• с усеченным прямоугольным фланцем с размерами 5,7O15,9, 4,8O14, 4,8O12,7 мм, серии 1014-ххSF (розетка) и 1013-ххSF (вилка) — 24 модели;
• резьбовые соединители «розетка» с дюймовой резьбой 0,250-36UNS — 1020-03SF, с метрической резьбой М6O0,75 — 1020-03SF и «вилка» 1021-09SF с дюймовой резьбой и 1021-10SF с метрической резьбой.

 

Кроме того, разработаны и выпускаются коаксиально-волноводные переходы «вилка» и «розетка»: фланцевые (модели 1011-16SF и 1012-23SF) и резьбовые (модели 1021-06SF и 1020-16SF). Фланцевые переходы имеют центральный проводник диаметром 0,635 мм и длиной 10,92 мм, предназначенный для ввода в полость волновода. Центральный проводник резьбовых переходов имеет диаметр 0,94 мм и длину 9,4 мм. По своим параметрам (табл. 4) соединители 2,92 мм компании Southwest Microwave — одни из лучших среди всех аналогов, выпускаемых за рубежом.

Соединитель 2,92 мм, модель 1014-01SF, со штырем диаметром 0,3 мм в диапазоне частот DC–40 ГГц имеет максимальный КСВН — 1,1 и величину потерь 0,1 дБ.

2,4 мм соединители

2,4 мм соединители с воздушной коаксиальной линией с размерами 2,4O1,04 мм предназначены для гражданского, военного и аэрокосмического применения в диапазоне частот до 50 ГГц (табл. 4). Их конструкция схожа с конструкцией 2,92 мм соединителей. Также предусмотрены 2 диэлектрические опорные шайбы из материала Ultem 1000. Диаметр штыря вилки равен 0,498–0,523 мм. В области interface на корпусе розетки и на гайке вилки применена метрическая резьба М7O0,75. На корпусах розетки и вилки в области соединения с корпусом изделия выполнена резьба 0,250-36UNS. Имеются модели и с метрической резьбой М6O0,75. Соединители 2,4 мм совместимы с 1,85 мм соединителями.

Southwest Microwave выпускает составные фланцевые и резьбовые соединители 2,4 мм в сочетании с металлостеклянными вводами и штырями (табл. 8, рис. 8).

Диаметр центрального проводника ввода и штыря — от 0,23 до 0,51 мм.

Таблица 8. 2,4 мм соединители

Рис. 8. Соединители 2,4 мм

В диапазоне частот DC–50 ГГц максимальный КСВН соединителя 2,4 мм (модель 1414-01SF, со штырем диаметром 0,3 мм и с металлостеклянным вводом 290-07G), равен 1,08, величина потерь 0,2 дБ.

Адаптеры

Southwest Microwave в соответствии со стандартом MIL-STD-348 выпускает 30 моделей внутрисерийных и межсерийных адаптеров (табл. 9, рис. 9). Адаптеры разных типов имеют максимальный КСВН, равный 1,12–1,20, и предназначены для работы в диапазоне температур: –55…+135 °С (–55…+165 °С для адаптеров Syper SMA). Корпуса адаптеров всех типов изготовлены из пассивированной нержавеющей стали, а контакты — из упрочненной бериллиевой бронзы, покрытой износостойким золотом. Внутренние проводники адаптеров закреплены в корпусе теплостойким диэлектриком Ultem 1000.

Таблица 9. Адаптеры Southwest Microwave

Рис. 9. а) Адаптеры N вилка — Syper SMA розетка; б) Syper SMA вилка — Syper SMA розетка; в) 3,5 мм вилка — 2,4 мм розетка; г) SSMA вилка — 2,4 мм розетка; д) 2,4 мм розетка — 2,4 мм вилка

Кабельные соединители

Southwest Microwave выпускает кабельные соединители только под полужесткий радиочастотный кабель марок 0,047., 0,086. и 0,141.. Разработаны кабельные соединители трех групп (рис. 10):

• Фланцевые кабельные наконечники (direct solder cable connectors).
• Фланцевые приборно-кабельные соединители (direct solder flange mount cable connectors).
• Кабельные соединители «розетка» и «вилка » для кабельных сборок (field replaceable cable connectors).

Выпускаются 6 моделей кабельных наконечников для работы с кабелем 0,086. на частотах до 40 ГГц. Кабель вводят в отверстие наконечника, и металлическую оболочку кабеля припаивают к корпусу наконечника. Центральный проводник кабеля входит в цанговый контакт внутреннего гнездового проводника наконечника. Разработаны модели под ответный штырь диаметром 0,30, 0,38 и 0,51 мм.

Рис. 10. а) Кабельный наконечник; б) приборноGкабельный соединитель; в) соединитель для кабельных сборок

Фланцевые приборно-кабельные соединители предназначены для работы с кабелем марок 0,047., 0,086. и 0,141.. Разработаны кабельные соединители Syper SMA «вилка» (9 моделей) и «розетка» (9 моделей) под ответные штыри диаметром 0,30, 0,38 и 0,51 мм.

Для кабельных сборок, входящих в измерительные комплекты (cable connector kit), разработаны соединители «вилка» и «розетка» типов Syper SMA, SSMA, 2,92 и 2,4 мм (кабель марок 0,047., 0,086., 0,141.) — 18 моделей.

Концевые соединители для печатных плат

Southwest Microwave выпускает серию соединителей — вводов СВЧ с предельными частотами 27, 40 и 50 ГГц, предназначенных для установки на концах однослойных и многослойных печатных плат с микрополосковыми и копланарными линиями (end launch connectors) (рис. 11). В эту серию входят соединители «вилка» и «розетка»: SMA (8 моделей), 2,92 мм (8 моделей) и 2,4 мм (8 моделей). Соединение с платами разной толщины (максимальная толщина — 2,8 мм) производится без применения пайки, при помощи механического прижима. Концевые соединители эффективно применять при работе с тестовыми и демонстрационными платами.

Рис. 11. Концевые соединители

Заключение

Компания Southwest Microwave не ставит своей целью производство всей огромной номенклатуры радиочастотных соединителей. Она выпускает только наиболее широко применяемые соединители 6 типов: SMA, N, TNC, SSMA, 2,92 и 2,4 мм, охватывающие частотный диапазон от 18 до 50 ГГц. В конструкцию каждого из этих соединителей компания внесла оригинальные усовершенствования, что позволило достичь исключительно высокого уровня электрических параметров и расширить температурный интервал применения. По комплексу параметров соединители Southwest Microwave — одни из лучших среди аналогичных соединителей других зарубежных компаний.

Литература

1. The best perfomance microwave connectors. Revised Catalog Southwest Microwave, 2008.
2. www.southwestmicrowave.com
3. Джуринский К. Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ. М.: Техносфера, 2006.