 设计了一种可用于装配后连接器微波性能测试的装置。测试装置主要由过渡转接电路板、固定装置和同轴连接器组成，其中最重要组成为过渡转接电路板。建模仿真对比分析不同结构转接电路对测试装置性能的影响，确定带状线型转接电路为最优电路构成。通过印制板加工和微组装工艺制备得到测试装置实物，应用于连接器微波性能测试，在 0. 7 GHz～40 GHz，实现装配后连接器射频信号的无失真引出测试。 连接器是微波组件中的重要组成部分，是组件中微波信号的输入、输出端子，其性能优劣直接影响组件的微波性能。但是在微波组件的装配过程和返工返修过程中，回流焊、平行缝焊、激光封焊等高温工艺过程很可能导致连接器内部受热不均匀，较大的热应力导致连接器内部的绝缘材料产生径向裂纹。同时，高温过程中连接器与组件腔体之间的焊料会发生重熔再分布，很可能出现焊料溢出短路、焊料中内夹气泡胀大导致接地不良、连接器中心轴线发生歪斜等现象，这些情况都会导致连接器的微波性能变差甚至失效，进而导致微波组件无法正常工作。目前，连接器生产厂家仅能对装配前连接器的微波性能进行测试，连接器安装在组件上后则无法进行微波性能测试。 本文首先设计一种可以应用于装配后连接器微波性能探测的测试装置; 然后，采用三维电磁仿真软件 HFSS18. 0 对测试装置中的关键组成过渡转接电路和连接器构成的系统进行建模仿真，优化电路结构; 最后，使用微波印制板工艺和微组装工艺制备得到测试装置实物，并应用其对连接器的微波性能进行测试，验证设计的可行性和可靠性。 1 设计、仿真和验证 1. 1 测试装置结构设计 在微波组件中，连接器焊接在组件腔体上的安装孔中。连接器内导体在腔体外侧的伸出端连接同轴连接器，接入测试仪器进行微波信号的引入、引出，连接器内导体在腔体内侧的伸出端焊接在电路板上，实现微波信号由组件外到组件内或组件内到组件外的传递。因此，装配后连接器微波性能测试装置的构成关键是设计过渡转接电路，在腔体内侧将微波信号引出，实现连接器微波性能的测试。 其中一种方法是在与连接器内导体相连的电路板上将微波信号引出; 另一种方法是在连接器和电路板级联工序之前，微波信号直接由连接器内导体在腔体内侧的伸出端引出，见图 1。前一种方法一方面测试装置无法实现就近接地，微波信号在过渡传输过程中容易发生畸变; 另一方面连接器内导体与电路板之间的级联缺陷可能会掩盖连接器本身的缺陷，造成测试结果不准确。因此，测试装置优选后一种方法设计方案。  图 1 过渡转接电路示意图 因为连接器内导体为圆柱形，在转接电路板的端头打半圆形垂直过孔并进行侧壁金属化，即为探测触头，实现测试装置与连接器内导体稳定接触，探测触头顶端与电路板表面的微带线垂直相连，触头底端与电路板背面的接地金属层通过环形间隙断开，这便实现了最简单的电路过渡转接。使用时电路板的背部接地层紧贴组件腔壁实现测试装置就近接地，防止微波信号畸变，微波信号自连接器内导体经探测触头传递到电路板表面微带线，完成连接器上的微波信号引出。过渡转接电路板示意图见图2，图中红色圆圈内局部放大内容为电路板背面，半圆形探测触头和接地层通过环形间隙隔开。  图2 过渡转接电路板示意图 同时，为了保护测试仪器，设置隔直电容; 为了增加电路板的机械强度，添加金属腔体支撑; 为了实现电路板与测试仪器连接，装配同轴转接头。因此测试装置由过渡转接电路板、隔直电容、金属腔体和同轴转接头组成，其中核心组成为过渡转接电路板。 1. 2 仿真分析 所选择的 SMP-X-X 连接器为标准化器件，传输约损耗为 0. 76 dB@ 40 GHz，驻波为 1. 53@ 40 GHz。简化仿真模型，仅保留连接器内导体伸出组件腔壁部分作为信号输入、输出端口。采用三维电磁仿真软件 HFSS18. 0 对过渡转接电路和连接器组成的系统进行建模仿真，仿真模型如图 3 所示，其中连接器内导体的直径为 0. 40 mm，腔壁上对应的安装孔直径为 0. 89 mm，特性阻抗约为 50 Ω，内导体伸出腔体侧壁长度约为 0. 50 mm。转接电路板选用 Ｒogers双面覆铜板，基板厚度为 0. 508 mm，介电常数为2. 94@ 10 GHz，损耗角正切为 0. 001 2@ 10 GHz。过渡转接电路板上的半圆形垂直过孔的直径取0. 50 mm。因为转接电路中存在多次结构过渡，寄生参数和阻抗失配会对电路板的微波传输性能产生较大影响，因此在微带线靠近垂直过孔处增加两节匹配枝节线对电路结构进行调节优化，图 3 中红色圆圈内局部放大部分为半圆形垂直过孔－匹配枝节线－微带线组成的微带线型过渡连接结构。  图 3 微带线型过渡转接电路和连接器组成系统的仿真模型 一般情况下，在 0. 1 GHz ～ 40 GHz，微波组件的端口输入、输出驻波，即连接器装入组件腔体后的输入、输出驻波小于 2. 5 就可以满足微波组件的指标要求。因此使用过渡转接电路对连接器的微波性能进行引出测试，系统的输入、输出驻波小于 2. 5，即表明测试装置可很好地表征连接器的微波性能，筛选出性能异常的连接器。 过渡转接电路板上 50 Ω 特性阻抗微带线线宽为 1. 05 mm，两节匹配枝节线的宽度 Wpipei1和Wpipei2设为仿真变量，对系统的微波性能进行仿真分析。Wpipei1 和 Wpipei2 的 初 始 值 分 别 为 1. 05 mm 和1. 05 mm，Wpipei1的变化范围为 0. 8 mm ～ 1. 6 mm，步进0. 1 mm，Wpipei2的变化范围为0. 8 mm～1. 6 mm，步进0. 1 mm。 在 0. 1 GHz ～ 40 GHz，系统损耗( S21) 和驻波( VSWＲ) 的仿真曲线见图 4。可以看到，当两匹配枝节线的宽度取初始值时，S21、VSWＲ( 1) 和 VSWＲ( 2) 的最值分别为－4. 09 dB、6. 64 和 6. 76，连接器的微波性能被完全湮没。调整优化各匹配枝节线的宽度，当 Wpipei1 = 1. 4 mm，Wpipei2 = 1. 0 mm 时系统的微波传输性能得到最优值，S21、VSWＲ( 1) 和 VSWＲ( 2) 的最优值分别为－2. 68 dB、4. 18 和 4. 38。由仿真结果可知，如果半圆形探测触头与微带线直接构成转接电路对连接器的微波性能进行检测，系统的微波传输性能极差。增加合适的匹配枝节线可以使测试系统的性能得到较大改善，但是仍与驻波小于2. 5 的目标有较大差距。  图 4 0. 1 GHz～ 40 GHz，系统 S21 和 VSWＲ 随 Wpipei1和 Wpipei2变化而变化的仿真曲线 为此，使用电磁兼容性更好的带状线替代微带线进行电路转接过渡。但是，为了便于实现转接电路与端部同轴转接头的装配互连，带状线末端继续使用微带线结构。过渡转接电路的组成变为半圆形垂直过孔－匹配枝节线－带状线－微带线，带状线型转接电路板和连接器组成系统的仿真模型见图 5，图中红色圆圈局部放大部分为半圆形垂直过孔－匹配枝节线－带状线－微带线过渡连接结构。  图 5 带状线型结构过渡转接电路和连接器组成系统的仿真模型 传输线由微带线改为带状线，为保持半圆形垂直过孔的厚度不变，电路板转而选择单层厚度为0. 254 mm 的 Ｒogers 双层复合板，带状线的线宽为0. 31 mm，微带线的线宽为 0. 62 mm，特性阻抗均为50 Ω。两节匹配枝节线的宽度 Wpipei1和 Wpipei2设为仿真变量，Wpipei1的初始值为 0. 31 mm，变化范围为0. 1 mm～ 0. 6 mm，步进 0. 1 mm，Wpipei2 的初始值为0. 31 mm，变 化 范 围 为 0. 1 mm ～ 0. 6 mm，步 进0. 1 mm，对系统进行仿真分析。 在 0. 1 GHz～40 GHz，系统的 S21、VSWＲ( 1) 和VSWＲ( 2) 的仿真曲线如图 6 所示。可以看到，当Wpipei1 = 0. 5 mm，Wpipei2 = 0. 2 mm 时转接电路的性能最优，S21、VSWＲ( 1) 和 VSWＲ( 2) 的最优值分别为－1. 35 dB、1. 30 和 1. 39。仿真结果表明使用带状线代替微带线后，系统的微波传输性能得到较大提高，传输损耗较小，输入、输出驻波小于 2. 5，转接电路可以应用于装配后连接器的微波性能测试。  图 6 0. 1 GHz～ 40 GHz，系统 S21 和 VSWＲ 随 Wpipei1和 Wpipei2变化而变化的仿真曲线 1. 3 实物验证 使用传统的微波印制板工艺制备带状线型转接电路板，采用传统的粘接、焊接、热声焊等微组装工艺完成测试装置装配，测试装置实物图如图 7 所示。其中转接电路板粘接在金属腔体上，与隔直电容通过金丝级联，端部微带线和同轴转接头通过焊料连接。  图 7 测试装置实物图 使用测试装置对组件腔体上装配好的连接器进行测试。连接器外侧的 SMP 转接头通过测试电缆连接矢量网络分析仪的输出端，测试装置的 SMA 转接头与矢网的输入端相连，半圆形探测触头与连接器的内导体稳定接触，实现连接器微波性能测试，工作过程见图 8。  图 8 连接器微波性能测试装置工作过程 因为测试装置中隔直电容的高通滤波特性，测试装置在低频处的损耗和驻波极大，影响对测试结果的观察，为此根据实际情况将实测频率调整为0. 7 GHz～40 GHz，将 Keysight N5244A 矢量网络分析仪在 0. 7 GHz～40 GHz 频段内进行校准后开始测试。 系统 S21、VSWＲ( 1) 和 VSWＲ( 2) 的测试曲线如图 9 所示。可以看到插损曲线随频率增加变化平缓，整个频段内未出现异常谐振点，所测连接器的微波性能良好，未出现故障。0. 7 GHz ～ 20 GHz，测得的 S21≥－ 2. 4 dB，VSWＲ( 1) ≤1. 46，VSWＲ( 2) ≤1. 59，20 GHz ～ 40 GHz，测 得 的 S21 ≥ － 5. 4 dB，VSWＲ( 1) ≤1. 80，VSWＲ( 2) ≤2. 32。实测结果与仿真结果的差异一方面是因为测试装置中引入了隔直电容、级联金丝和 SMA 转接头等附加结构; 另一方面微波组件连入矢量网络分析仪增加了额外的测试电缆。  图 9 0. 7 GHz～ 40G Hz，连接器 S21、VSWＲ( 1) 和VSWＲ( 2) 的实测曲线 由测试结果可以看到带状线型转接电路板的测试装置成功实现安装后连接器中微波信号的引出测试，未出现信号失真，取得了较好的效果。同时测试装置的构成简单、制备工艺成熟、使用方便、成本低廉，在微波测试领域具有较强的实用性，具有很好的应用前景。 2 结 语 设计制备由过渡转接电路板、隔直电容、金属腔体和同轴转接头组成的装配后连接器微波性能测试装置。对测试装置的关键组成转接电路板进行仿真、分析和优化，带状线型结构过渡转接电路的仿真结果表明，在 0. 1 GHz～40 GHz，测试装置的输入、输出驻波不大于 1. 39，远小于驻波小于 2. 5 的可应用要求，满足设计要求。使用组装好的测试装置对装配后连接器的微波性能进行测试验证，在 0. 7 GHz ～40 GHz，插损测试曲线未出现异常谐振，输入、输出驻波不大于 2. 32，实现了装配后连接器微波性能的准确快速测试。 |
