Соединители SMA с предельной частотой до 34 ГГц. Эволюция продолжается

Соединители SMA

Соединители SMA (SubMiniature A) были разработаны в США в 1958 году. С 1968 года их выпускают по стандарту MIL-C-39012 для применения в военной аппаратуре. В этом соединителе с волновым сопротивлением 50 Ом применена коаксиальная линия размерами 4,15/1,27 мм, заполненная фторопластом, и резьбовое соединение (американская дюймовая резьба 0,250-36 UNS) вилки и розетки (см. рис. 1) [1].

Соединители SMA миниатюрны, имеют достаточно высокий уровень параметров, технологичны в изготовлении. В связи с этим их широко применяют в радиоэлектронной аппаратуре для военной, аэрокосмической, телекоммуникационной, медицинской и других областей техники. В настоящее время в устройствах СВЧ-соединители типов SMA и N составляют около 50% от всех применяемых радиочастотных соединителей. Гарантированной предельной частотой кабельных соединителей SMA принято считать 18 ГГц в сочетании с полужёстким радиочастотным кабелем и 12,4 ГГц – с гибким кабелем [1]. Основные параметры соединителей SMA приведены в таблице 1.

Соединители SMA были созданы более 60 лет назад, однако работы по их совершенствованию не прекращаются и в настоящее время. Основной целью этих работ является увеличение жёсткости конструкции соединителей для повышения надёжности контактирования вилки и розетки, а также расширение диапазона рабочих частот. Недостаточная жёсткость конструкции соединителя SMA обусловлена небольшой (менее 0,23 мм) толщиной стенки розетки в области её сочленения с вилкой. Предельную частоту соединителя SMA можно увеличить, если использовать в полной мере возможности его коаксиальной линии. Действительно, теоретическая предельная частота, f_пред (ГГц), при которой в коаксиальной линии соединителя с внутренним диаметром наружного проводника D, диаметром центрального проводника d и диэлектрической проницаемостью изолятора e ещё не возникают нежелательные волны высшего типа, равна [1]:

Для соединителя SMA f_пред приблизительно равна 26,5 ГГц. Поэтому Southwest Microwave, Amphenol RF, Molex, Radiall и другие зарубежные компании поставили задачу максимально использовать возможности коаксиальной линии соединителя SMA и расширить его диапазон рабочих частот с 18 до 26...27 ГГц.

Созданные различными компаниями в начале 2000-х годов соединители с предельной частотой 26...27 ГГц имеют следующие названия: SMA 26,5 GHz, SMA 27 GHz, Super SMA, SMA HF Interface, EPSMA, High Performance SMA, Optimized SMA, Extended-Frequency SMA. В данной статье эти соединители названы Super SMA.

Соединители Super SMA

Внутренняя геометрия соединителей Super SMA для обеспечения низкого коэффициента отражения оптимизирована с использованием моделирования методом конечных элементов. Работы по созданию соединителей SMA c предельной частотой до 27 ГГц проводились по двум направлениям:

Например, компания Southwest Mic-rowave в розетке Super SMA заменила фторопластовый изолятор с диэлектрической проницаемостью 2,05...2,1 материалом с диэлектрической проницаемостью 1,82 [2]. Благодаря этому внутренний диаметр наружного проводника был уменьшен с 4,1 до 3,91 мм при сохранении прежнего наружного диаметра внутреннего проводника 1,27 мм (см. рис. 2).

Внутренний диаметр внешнего проводника вилки Super SMA, заполненного фторопластом, был уменьшен с 4,1 до 3,5 мм, поэтому диаметр центрального проводника вилки для сохранения волнового сопротивления, равным 50 Ом, также был уменьшен с 1,27 до 1,08 мм. Следует отметить, что внутренний диаметр внешнего проводника в вилке соединителя выбран таким же, как в соединителе 3,5 мм с воздушной коаксиальной линией.

Наряду с расширением частотного диапазона это позволило увеличить на 38% (с 0,23 до 0,318 мм) ширину области контакта розетки и вилки и повысить жёсткость конструкции. Поэтому соединители Super SMA неслучайно называют ещё «толстостенными соединителями».

В результате перечисленных нововведений коаксиальная линия пары вилка-розетка соединителей Super SMA в сочленённом состоянии получилась ступенчатой, в отличие от «гладкой» (без ступенек) коаксиальной линии соединителей SMA. Внешний вид соединителей Super SMA вилка и розетка показан на рисунке 3.

Соединители Super SMA совместимы со всеми стандартными соединителями типов: SMA, 3,5 мм и 2,92 мм, особенно с соединителями 3,5 мм, имеющими воздушную коаксиальную линию с размерами проводников 3,5/1,52 мм [1]. Кроме того, эти соединители имеют высокий уровень экранного затухания за счёт надёжного «360-градусного» контакта вилки и розетки.

Применение соединителей SMA с предельной частотой до 27 ГГц открыло новые возможности совершенствования изделий микроэлектроники СВЧ: расширение частотного диапазона, снижение уровня КСВН, повышение уровня экранного затухания, повышение надёжности и воспроизводимости параметров.

Соединители с предельной частотой 32 ГГц компании MegaPhase

В работе [1] было отмечено: «Эволюция соединителей SMA продолжалась в течение более чем 50 лет. Не исключено, что в ближайшее время появятся новые разработки этих соединителей». Это предсказание сбылось в июне 2020 года с появлением сообщений о создании компанией MegaPhase (США) оптимизированного соединителя Super SMA с предельной частотой 32 ГГц [3-6]. Компания MegaPhase известна своими разработками и производством высоконадёжных коаксиальных СВЧ-кабелей и соединителей для различных радио­технических и оптико-электронных устройств. При оптимизации соединителя Super SMA компания MegaPhase, несомненно, использовала опыт других компаний. Но если в соединителе Super SMA коаксиальная линия вилки имела меньшие размеры, чем коаксиальная линия розетки, и общая коаксиальная линия вилки и розетки в сочленённом состоянии была ступенчатой, то в оптимизированном соединителе компании MegaPhase были максимально выровнены размеры коаксиальной линии. При этом за основу были взяты размеры коаксиальной линии вилки.

Детали конструкции разработанного соединителя компания не раскрывает, лишь приводит сравнение коаксиальных линий соединителей SMA, Super SMA и оптимизированного Super SMA (см. рис. 4) [3, 4].

Компания MegaPhase разработала соединители вилка и розетка прямыми, предназначенными для работы с кабелем серии AL141 собственного производства (см. рис. 5) [6].

Частотная зависимость КСВН кабельных соединителей компании MegaPhase приведена на рисунке 6 [3–6].

Компания MegaPhase гарантирует разработку и поставку соединителей, кабелей и кабельных сборок в течение 2...4 недель (см. рис. 7) [7].

Кабельная вилка с предельной частотой 34 ГГц от компании Amphenol RF

Приблизительно в это же время компания Amphenol RF объявила о создании прямых кабельных соединителей SMA вилка № 901-10708, работающих на частотах до 34 ГГц [8, 9]. Эти соединители предназначены для паяного соединения с полужёстким кабелем RG-405 (0,085″). Соединитель № 901-10708 имеет следующие параметры:

Внешний вид соединителя показан на рисунке 8.

Корпус соединителя изготовлен из латуни и покрыт износостойким золотом, центральный проводник выполнен из бериллиевой бронзы и также покрыт износостойким золотом. Стопорное кольцо и соединительная гайка изготовлены из нержавеющей стали, а изолятор – из полимера PTFE (аналогом этого материала является отечественный фторопласт Ф4). Габаритные размеры соединителя – 13,26×8,0 мм, а ориентировочная стоимость одного соединителя $8,28.

Благодаря лёгкой, компактной и вибростойкой конструкции и расширенному диапазону рабочих частот эти соединители найдут применение в беспроводной инфраструктуре 5G, радарных системах, системах гражданского и военного назначения.

Заключение

Зарубежные компании постоянно совершенствуют соединители, разработанные много десятилетий тому назад. Необходимость создания новых соединителей SMA продиктована особенностями их применения. Стандартные соединители SMA, к которым так привыкли разработчики устройств микроэлектроники СВЧ, имеют гарантированный рабочий диапазон 0...18 ГГц. Для изделий, работающих в К-диапазоне частот (18...26 ГГц), уже необходимы соединители 3,5 мм или 2,92 мм с воздушной коаксиальной линией, в которых центральный проводник закреплён в тонкой диэлектрической опорной шайбе. Но такие соединители более повреждаемы при многократных соединениях, чем соединители SMA, заполненные фторопластом. Этим было обусловлено создание соединителей Super SMA с предельной частотой 27 ГГц и в дальнейшем – оптимизированных соединителей Super SMA с предельной частотой 32...34 ГГц компаниями MegaPhase
и Amphenol RF

Но все-таки следует заметить, что эти соединители с изменённой коаксиальной линией не являются соединителями SMA, это соединители других типов. Общие с соединителями SMA, у них только резьба 0,250-36 UNS на корпусе и присоединительные размеры, что делает их механически совместимыми между собой. Но зарубежные компании любят вставлять слово SMA в название соединителей даже других типов: SMA 3,5 мм, SMA 2,9 мм.

Литература