剖析QLF快鎖接頭QMA和QN的設計得失
[b]——探索QMA和QN的最佳設計方案[/b]
QUICK LOCK接頭的出現是行業的趨勢,具有重大意義,尤其是SMA,N的QUICK LOCK 版本QMA和QN,因為SMA和N是RF接頭主流的產品,幾乎占到RF 接頭市場份額的40%,一旦QMA和QN能做到跟現有SMA和N一樣的性能和成本,會迅速地在很多應用場合替代SMA和N,這會是一個巨大的市場。
我們先從QUICK LOCK接頭的起源說起, N是射頻同軸接頭傢族發明最早,最成熟,應用也最廣的接頭。N的使用頻率DC-11GHz VSWR≤1.25;精密型N型接頭使用頻率DC-18GHz VSWR≤1.08。還有一種在N基礎上設計的APC-7精密平面接頭使用頻率DC-18GHZ VSWR≤1.003+0.002(f)GHZ。SMA也是RF CONNECTOR傢族的老成員,SMA的使用頻率:DC-18GHz VSWR≤1.3;見圖(1)
由於SMA 和N頭連接方式都采用螺紋緊鎖方式,具有體積大,裝卸需要工具,速度慢,操作時需要留空間等缺點。一些通信設備商(比如NOKIA等)和軍方陸續傳遞出瞭對QUICK LOCK接頭QMA和QN的需求信息,因此行業內陸續推出瞭一些QUICK LOCK設計的SMA 和N 接頭,我們稱之為QMA和QN. 這種設計力求具備節省裝卸時間,不用工具,省去瞭操作空間,能360°轉動,高密度排列等優點.
H+S和RADIALL是最早開始這項研發的RF CONNECTOR MANUFACTURER,幾年內陸續推出瞭QMA和QN專利設計並聯合AMPHENOL RF和ROSENBERGER結成QLF戰略聯盟,分享技術,統一界面標準,合力向市場推廣。見[url]www.qlf.info[/url]
我們的RF TEAM也一直致力於QUICK LOCK CONNECTOR QMA和QN的研發,以期為行業提供最佳的的設計方案。同時我們一直在跟蹤QLF的研發。現在我們的設計方案已日臻完善。
本文章我們試圖通過與QLF設計的橫向對比來闡明我們的設計思路。
? 我們先來看QMA,以下是QLF版本的QMA設計(圖2)
我們認為這個設計是基本完美的,能做到接近SMA的比較高的工作頻率,但還存在一些小問題:
1) 現有市場上的QMA都沒有用於防水的密封圈,這樣會造成有害氣體及水氣侵入,由此導致接觸導體的可靠性變差。QLF最近宣稱推出世界首款具有防水功能的QMA,並能跟現有QMA母頭互配,這是一個有效解決的方法,但我們目前還沒有看到產品。
2) 用鈹銅制作的QMA彈簧鎖的成本較高,幾點因素:鈹銅材料成本高,加工難度大,需要熱處理,而且需要做專門環保處理
3) QMA公母頭相匹配後,內導體的接觸有效長度太少,隻有1.6mm,而SMA的有效接觸長度是2.3mm,見圖(3),這會導致多次使用後內導體的接觸可靠性降低。
以上幾點是我們認為現有QLF版本QMA還有改進餘地的地方,事實上我們即將公佈的新版的QMA(為區分,暫且稱為CQMA,下同)已經很好的解決瞭以上問題。
1) 我們的防水設計非常巧妙(如圖4),公頭外導體孔槽內的O型密封圈在母頭外殼斜面的擠壓作用下,產生非常好的密封和抗震效果。
2) 我們的CQMA公頭彈簧鎖是不銹鋼制作,(如圖5),成本僅僅是鈹銅彈簧鎖的1/10,並有非常好的抗震效果,完全能滿足軍用要求。並且我們對QLF版本的QMA彈簧鎖設計做過分析和試驗,發現適當修改尺寸後完全可以用青銅替代鈹銅,有效插拔次數也完全可以超過QLF標稱的100次。
3) 我們認為應該保持SMA相匹配後的接觸有效長度2.3mm,我們的設計很容易就實現瞭這一點。但我們發現QLF的設計很難實現這個目標,因為如果內導體的長度被加長後,會導致其在互配時失去彈簧鎖的導向作用,由此增加接觸失效的風險。
另外從節省空間的角度考慮,我們特別設計瞭MINI版本的QMA,我們稱之為MINI-CQMA,(如圖6),他們具有同樣出色的性能表現和更小的體積。
? 再來談談QN,實際上在上世紀80年代中國RF工程師就曾經在N CONNECTOR基礎上開發過一種快插自鎖型連接器(QN), 見圖(7),具有不錯的效果。在某些特殊場合得到很好的應用。
? 我們來看看QLF發起人HUNER SUHBE陸續發佈過的3個版本的QN
1) 2002版本,見圖(8)
2002版本首先比較成功地拋開瞭螺紋結構,實現瞭快插、自鎖功能。
優點: 1.提高瞭連接器裝卸效率,達到瞭快插、自鎖,不用工具。
2. 減小瞭外形尺寸,減輕瞭重量20%—40%,節約瞭銅材20%—50%。
3. 提高瞭連接器的安裝密度,節省瞭安裝空間。
4. 連接器安裝後可以360°旋轉,能保持良好接觸。
5. 連接器安裝拆卸的培訓簡單。
缺點: 1.零件加工精密要求高,電氣接合面之間間隙大小完全受零件加工精度控制。
2.結合面有間隙無接觸壓力,會影響駐波和高互調性能
3.有些偏離N型基本參數QN設計工作重新計算、校驗工作量巨大,成熟的N型連接器的成功資源沒有被利用
2)2003版本,見圖(9)
2003版本在2002版本的基礎上作瞭改進。
特點: 1.在連接器的接觸界面增加瞭一片波浪墊圈。利用波浪墊圈的彈性來增加軸向壓力,並能消除接觸端面的間隙。
2.降低瞭接觸電阻,有利互調性能的改進。
缺點: 連接器接觸端面利用波浪墊圈的彈性解決瞭間隙問題,但在整個圓周面點上僅有幾個點而已,在該點周圍的阻抗仍沒有達到很好的匹配,電磁波在該點上會引起反射。該連接器使用在DC—1.5GHZ較好,1.5—3G尚可。如果3—6GHZ駐波會更大。6—11GHZ駐波將會更大。
3)2004版本,見圖(10)
2004版本在2003版本的基礎上又作瞭進一步的改進。
特點: 1、連接器接觸面由波浪墊圈改為放射狀的碟型彈簧片,增加瞭軸向壓力,減小瞭接觸電阻,提高瞭接觸穩定性。
2、由於改用瞭放射狀的碟型彈簧片,它與接觸端面接觸時已不再是幾點,而是整個圓周。這樣更有利於互調性能的改善,駐波的減小和更低的插入損耗。
缺點:1、外導體的接觸端面采用瞭尖端,與放射狀的彈簧片的作用下,產生較大的軸向壓力,接觸電阻得以改善.但同時由於尖端和彈簧作用的領域是個不規則的幾何形狀,用傳輸理論推導就會發現該段的特性阻抗是不連續的,會引起較大反射。尤其在傳輸高頻率電磁波時影響更大。DC—1.5GHZ駐波很好,1.5—3GHZ駐波可以接受,3—6GHZ有些場合可能影響使用,6—11GHZ會更差。
2.該設計仍沒有采用N型內導體外徑φ3.04和外到底內徑φ7.00的基本參數,因此如果要把N型改成這種快插、自鎖式會帶來大量的重新設計驗證的工作量。N型成熟的幾十年積累起來的可貴設計資料付之東流。
基於最新版本2004版的QN的問題,我們認為還可以做以下改進:
1. SMA,N,APC-7精密平面接頭三種經典的射頻同軸連接器之所以能做到頻帶寬,VSWR小,是因為他們的接觸界面間隙為零,阻抗連續,幾乎無反射。而QN如果采用上述版本的彈性接觸端面肯定會導致阻抗不連續。所以我們認為仍應采用N型的剛性接觸,保證接觸端面阻抗連續,使QN能保持N的電氣性能:DC—11GHz VSWR≤1.25,精密型QN達到DC-18GHZ VSWR ≤1.08。我們的新設計遵循這一規則並實現瞭接觸端面零間隙,保證瞭阻抗連續,由此保持瞭N型的性能指標,並且接頭所
用材料僅是QLF版本的80%,(如圖11)
1. 我們認為QN的設計應該遵循現有N型的基本參數:內導體應取Φ3.04,而不是Φ2.97,外導體的內徑應取Φ7.00,而不是Φ6.85。我們的設計保留瞭N的基本參數,由此也避免瞭大量的重新設計驗證和試驗工作。
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