SMA型水密封连接器的研制

[摘 要]本文主要介绍了SMA型水密封连接器的结构原理和性能特点，通过图文论述了连接器结构设计和装配过程中采用的关键技术，并对研制过程中如何解决关键技术问题和关键工艺攻关做了具体论述。

[关键词]射频连接器；水密封性

中图分类号：TM503.5 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）13-0156-02

1 前言

随着现代科学技术的迅速发展，对通信、雷达、电子对抗、无线电导航等系统中使用的连接器要求越来越高，尤其是在严酷的环境中要求密封性连接器在工作可靠同时体积越来越小，重量越来越轻，电气性能也越来越优越。这为水密封连接器向高性能、高可靠方向的快速发展提供了需求条件。

2 研制过程

2.1 产品主要性能指标如下

a.特性阻抗：50Ω

b.频率：4GHz～8GHz

c.耐久性：500次；

d.水密性：SMA接口与气压罐相连，加一个大气压，将连接器全部浸入无水酒精中，10分钟内连接器接口及连接器体均要求无气泡产生。

2.2 产品设计方案

2.2.1 连接器传输部分结构设计

SMA是一种通用连接器，界面结构非常成熟，连接器头部可参照相关的标准规范确定其标准接口尺寸。根据该产品的特点及用户的特殊要求从设计过程中应该综合考虑产品的阻抗匹配性、过渡转换、水密封的可靠性等要求，保证每一段截面的特性阻抗为50Ω。因此该产品的设计重点在于连接器的传输部分结构及水密封可靠性的保证（产品结构见图1）。

2.2.2 连接器的阻抗设计

SMA水密封型连接器的特性阻抗是一个比较重要的性能参数。特性阻抗不合理会对电压驻波比、工作频率、插入损耗等电性能指标产生很大的影响。因此，要合理的选取内导体外径及外导体内径尺寸，应尽量避免出现电气不连续面，以保证阻抗的一致性，必要时还应进行适当的阻抗补偿。由于该产品的腔体内的填充物为硅橡胶GD414，因此在设计时还要充分考虑该腔体内的阻抗匹配。

（1）.SMA型连接器用聚四氟乙烯作为绝缘支撑，其介电常数为εr=2.03，则可以计算出：

最大阻抗Z0Max=ln=50.8（Ω）

最小阻抗Z0Min=ln=49.4（Ω）

即：Z0=50（Ω）

由此可以看出，当产品内、外导体尺寸和绝缘材料不变时，该产品的头部阻抗完全匹配。

（2）.SMA型水密封连接器内部腔体使用硅橡胶GD414进行填充时，硅橡胶GD414的介电常数为εr=2.03，在设计产品时，为保证产品50Ω阻抗的一致性，外导体内径尺寸将随内导体外径尺寸的改变而改变。这将会产生内导体外径、外导体内径的突变，产品出现阶梯电容。根据连接器的结构尺寸设计原则，为使连接器在其截止频率范围内保持优异的电压驻波比性能，必须遵循三个基本原则：（1）尽量减少阻抗的不连续性；（2）在每个截面上尽可能保持一致的特性阻抗；（3）对于每一个不可避免的阻抗不连续性应采取共面或高抗补偿，为消除这种直径突变对电压驻波比的影响，采取了图2所示的结构。对台阶处采取错位补偿的方法，将内外导体阶梯面错开位置，使其有一定距离，构成一个较高电感量，以补偿台阶引起的不连续电容，使电抗呈中性。根据理论分析并结合仿真软件HFSS对产品最初形成的结构进行仿真、优化（见图3）形成最终的产品，并对其进行加工、测试，电性能指标（见图4）均能满足用户要求。

2.2.4 连接器材质的选择

SMA水密封型连接器主要采用的材料是铍青铜、铜材、聚四氟乙烯，在经受低、高温贮存及温度冲击时，由于三种材质的膨胀系数不同，会使得材质较软的聚四氟乙烯首先发生变化；另外，聚四氟乙烯原材料本身存在固有应力，也使得产品试验后界面尺寸发生变化。因此，需要通过对绝缘材料的预处理、绝缘支撑尺寸公差设计、装配工艺的制定及试验工装的选择等方面考虑，保证产品界面尺寸的一致性，避免成品在高、低温贮存及温度冲击试验时发生变形，造成产品界面尺寸的变化。

其次，为了保证产品的水密封性，通常采用玻璃材料和可伐合金烧结的形式，但是玻璃绝缘子烧结工艺技术难度大，废品率高，并且抗振动、冲击能力差，产品较重，由于本产品对水密封要求相对较低，改用GD414硅橡胶保证产品的密封性。经过多次试验，用GD414硅橡胶灌封的产品均能满足用户对密封性的要求及系统中的电性能要求。

2.2.5 连接器结构的确定

SMA水密封型连接器在进行装配时，其尾部采用一个压环的结构来固定绝缘子和内导体，这样可以保证产品的中心接触件的固定性，但该结构在振动、冲击等试验条件下会产生水密封性失效。

经过多次试验，使用无滚花压环进行装配，并将装配过程固化，使产品在保证中心接触件固定性的同时也保证了产品水密封性的可靠。

通过对同产品的结构，材料分析，并考虑电性能指标、耐环境及可靠性方面的要求，最终确定了产品结构。此结构机械性能可靠、稳定性好、电气性能优良。我们通过试验，对产品的零件加工、电镀、装配工艺进行了各方面分析，最终形成了现有的设计方案。

3 样品的试制与产品试验

按照确定的设计方案，进行了初样产品的生产。 并对产品进行了温度冲击、低温贮存及高温贮存摸底试验，试验中发现产品的界面尺寸发生轻微变化，且变化趋势不一致（高出或低于试验前产品的定位界面，但满足GJB5246-2004中规定的SMA系列产品的界面要求），极限变化为±0.03mm。

最后，对破坏性较大的试验（振动、冲击）进行了摸底试验，试验后产品完好，对产品密封性进行了测试，其结果合格。

4 解决的关键性技术

在进行SMA水密封型连接器的整个研制过程中，经过多次试验，并对产品结构进行反复改进：

4.1 补偿设计及水密封结构设计

对台阶处采取错位补偿设计及采用GD414硅橡胶密封形式是本产品解决的关键型技术。为此，我们采取了以下措施：

a.多次将产品接入系统中测试，根据测试结构反复调整补偿尺寸，最终满足了用户系统的要求，取得了成功。

b.为了保证产品的水密封和抗振动、冲击的要求，我们采取了灌GD414硅橡胶的密封形式，为了将尾部采取压环压配方式引起的对水密封的影响减小到最小，我们分别使用滚花压环和无滚花压环进行压配，经测试后发现只有无滚花压环才能满水密封的要求，所以我们最终采取了用无滚花压环压配的密封形式。

4.2 对产品界面的控制

根据对初样产品的摸底试验情况分析，造成界面失效的原因如下：

首先，连接器主要材料是铜材和聚四氟乙烯，在经受高、低温储存及温度冲击试验时，由于两种材质的膨胀系数不同，会使得材质较软的聚四氟乙烯发生变化，对产品界面尺寸造成影响；其次是绝缘支撑零件在加工过程中尺寸公差的控制不严格，也可能造成界面尺寸的变化；最后，聚四氟乙烯原材料本身存在固有应力，在生产加工以及试验过程中应力的释放也会使得产品界面尺寸发生变化。

为避免聚四氟乙烯原材料与金属材料因膨胀系数不同而引起的变化，以及聚四氟乙烯原材料固有应力对产品的影响，对产品绝缘支撑材料在加工前进行高、低温循环的预处理，使原材料的预应力在加工使用前得以释放，减小对产品的影响，避免成品在高、低温储存及温度冲击试验时界面发生变形，提高产品的可靠性。

5 结束语

该产品性能稳定，结构合理，用户使用情况良好，可靠性高，各指标均能满足用户要求。产品已向用户供货，并能完全满足用户使用要求，具有较好的社会经济效益。

参考文

[1] 李秀萍.微波技术基础.

作者简介

1.多卉卉，女，助理工程师。2005年毕业于西安财经学院信息管理与计算机应用专业，现为陕西华达科技股份有限公司设计员。

2.吕沅远，男，助理工程师 2008年毕业于西安理工大学包装工程专业，现为陕西华达科技股份有限公司设计员。

3.翟少轩，男，助理工程师 2015年毕业于西安工业大学机械设计制造及其自动化，现为陕西华达科技股份有限公司设计员。