Коаксиально-микрополосковый переход

Полезная модель относится к электронной технике, а именно к технике сверхвысоких частот (СВЧ) и предназначена для ввода и вывода сигналов с микрополосковой линии на радиочастотный кабель в высокочастотных схемах герметизированных радиотехнических устройств сантиметрового диапазона длин волн (коаксиально-микрополосковый переход).
Известен коаксиальный герметичный соединитель, в котором наружный и центральный проводники, изготовленные из отличающихся по коэффициенту термического расширения металлов, спаяны со стеклянным изолятором по соприкасающимся поверхностям. [Герметичный соединитель. Патент РФ №2171523 С1, приоритет от 19.04.2000]. Однако соединитель является низкочастотным вводом в расширенном диапазоне температур: +250…-60°С и непригоден для работы в диапазоне сверхвысоких частот, так как его волновое сопротивление не рассчитано на требуемую в микроэлектронной технике стандартную величину 50 Ом.
Известен коаксиально-микрополосковый переход, содержащий металлический корпус цилиндрической формы, внутри которого концентрично расположен металлический штырь (стержень), герметично спаянный со стеклянным изолятором, запаянным с торца корпуса, на металлический штырь надет центральный проводник, выполненный с выступом, между корпусом и центральным проводником расположен фторопластовый изолятор, отличающийся тем, что отверстие фторопластового изолятора со стороны выступа центрального проводника выполнено конусообразным, при этом выступ центрального проводника утоплен в конусообразной части отверстия, а между стеклянным и фторопластовым изоляторами выполнен зазор. [Патент РФ №113078 МПК: Н01Р 5/08, 2012 г.].
Недостатком известного устройства является неопределенная величина зазора, от которого зависит КСВН. К тому же зазор может изменяться при вставлении штыря ответного кабельного соединителя в центральный гнездовой проводник. Кроме того, недостатком является низкая радиационная стойкость фторопласта Ф4, используемого для изготовления изолятора.
Наиболее близким аналогом (прототипом) предлагаемой полезной модели является герметичный коаксиально-микрополосковый переход СРГ-50-751ФВ с коаксиальной линией передачи размерами 4,1×1,27 мм, заполненной фторопластом Ф4, выпускаемый по техническим условиям ВРО.364.049 ТУ. Переход содержит металлический корпус цилиндрической формы, внутри которого концентрично расположен металлический стержень, герметично спаянный с изолятором из стекла С52-1, на стержень надет гнездовой центральный проводник с буртиком на конце, между корпусом и центральным проводником расположен фторопластовый изолятор, закрепленный в корпусе пуклевкой. После сборки буртик оказывается зажатым между стеклянным изолятором и изолятором из фторопласта [Джуринский К.Б. «Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры» ЗАО «Медиа Группа Файстрит» Санкт-Петербург, с. 97-98.].
Недостатком известного устройства является высокий КСВН: 1,5 в диапазоне частот 0-18 ГГц. Кроме того, данный коаксиально-микрополосковый переход имеет низкую радиационную стойкость вследствие применения для изготовления изолятора фторопласта Ф4, имеющего самую низкую (менее 0,5 Мрад) радиационную стойкость из всех известных фторполимеров.
-4
Широкое применение фторопласта Ф4 для изготовления изоляторов радиочастотных соединителей обусловлено высоким уровнем его диэлектрических свойств на сверхвысоких частотах: диэлектрическая проницаемость - 2,1, тангенс угла диэлектрических потерь - 2.10 и широким диапазоном рабочих температур: -250…+265°С. Действие радиации на фторопласт приводит к его деструкции и значительному снижению механической прочности даже при низких поглощенных дозах радиации. Наряду с низкой радиационной стойкостью недостатком фторопласта Ф4 является высокая хладотекучесть - изменение размеров даже при отсутствии механических напряжений.
Технический результат предлагаемой полезной модели заключается в существенном уменьшении КСВН в диапазоне рабочих частот 0-18 ГГц и улучшении радиационной стойкости.
Технический результат достигается тем, что коаксиально микрополосковый переход содержит спаянные со стеклянным изолятором и выполненные металлические корпус, внутренняя поверхность которого является наружным проводником коаксиальной линии передачи размерами 4,1×1,27 мм, и стержень, на конец которого внутри корпуса надет внутренний проводник коаксиальной линии в виде двухсторонней цанги. Внутренний проводник выполнен с буртиком, расположенным между стеклянным изолятором и изолятором из фторполимера, закрепленным в корпусе пуклевкой. На буртике выполнены ступеньки, первая диаметром от 1,60 до 1,65 мм, длиной от 0,30 до 0,325 мм со стороны изолятора из фторполимера и вторая диаметром от 1,27 до 1,30 мм, длиной от 0,3 до 0,325 мм со стороны стеклянного изолятора.
В качестве фторполимера может быть использован радиационно-стойкий материал Арфлон.
Внутренний проводник со стороны, противоположной буртику может быть выполнен штыревым.
Ступеньки представляют собой трансформаторные секции, которые предназначены для согласования волнового сопротивления в коаксиальной линии. Размеры ступенек были рассчитаны по программе расчета СВЧ параметров 3-D топологий HFSS13. Коаксиальная линия, изолятор из фторполимера которой имеет размеры 4,1×1,27 мм, с диэлектрической проницаемостью 2,1, имеет минимальные значения КСВН и потерь при следующих размерах ступенек: первая ступенька - диаметр 1,60-1,65 мм, длина 0,30-0,325 мм, вторая ступенька - диаметр 1,27-1,30 мм, длина 0,30-0,325 мм - фигура 1. При этом изменение размеров ступенек в указанных пределах не приводит к увеличению КСВН более чем на 8%.
В качестве фторполимера использован радиационно-стойкий материал Арфлон, выпускаемый по техническим условиям ТУ 2291-002-06335753-2017. Арфлон - отечественный изоляционный материал, являющийся аналогом фторопласта Ф4 по комплексу диэлектрических и химических свойств, но значительно превосходящий его по физико-механическим свойствам. Радиационная стойкость материала Арфлон марок AR100 и AR200 в 100 и 250 раз выше, чем у фторопласта Ф4. Кроме того, Арфлон отличается от фторопласта Ф4 высокой однородностью структуры, отсутствием пористости и хладотекучести. [Патент РФ №2304592, 2007 г.].
Внутренний проводник со стороны, противоположной буртику, может быть как цанговым, так и штыревым.
Предлагаемая конструкция коаксиально-микрополоскового перехода поясняется чертежом.
На фигуре 1 представлена конструкция предлагаемого коаксиально-микрополоскового перехода, где:
металлический корпус - 1,
металлический стержень - 2,
стеклянный изолятор - 3,
внутренний проводник в виде цанги с буртиком - 4,
изолятор из фторполимера - 5,
ступеньки на буртике - 6 и 7.
Пример.
+0,048
-0,025
+0,025
+0,025
-0,04
-0,025
-0,025
Корпус 1 и стержень 2 выполнены из сплава 29 НК. Корпус 1 и стержень 2 герметично спаяны с изолятором 3 из стекла марки С52-1 в центре внутренней поверхности корпуса 1. Внутренний цанговый проводник 4 выполнен из бериллиевой бронзы БрБ2. Корпус 1 и цанговый проводник 4 покрыты износостойким сплавом золото-кобальт толщиной 2-3 мкм. Диаметр наружного проводника коаксиальной линии (корпуса 1) равен 4,1 мм, диаметр стержня - 0,6 мм. Внутренний проводник 4 выполнен диаметром 1,3 мм и имеет на конце буртик со ступеньками 6 и 7. Изолятор 5 выполнен из материала Арфлон AR200 и закреплен в корпусе 1 пуклевкой. Ступенька 6 имеет диаметр 1,65 мм и длину 0,3 мм и опирается на изолятор 5. Ступенька 7 диаметром 1,3 мм и длиной 0,3 мм опирается на изолятор 3.
Предлагаемый коаксиально-микрополосковый переход работает следующим образом.
Коаксиально-микрополосковый переход вкручивают в стенку корпуса изделия и герметизируют в корпусе пайкой припоем ПОС-61 при температуре 210-230°С. Выступающую из стеклянного изолятора 3 часть стержня 2 соединяют термокомпрессионной сваркой с микрополосковой линией. Внутреннюю поверхность корпуса 1 и внутренний проводник 4 коаксиально-микрополоскового перехода сочленяют с ответным резьбовым соединителем кабельной сборки.
Исследование частотной зависимости, выполненное с использованием векторного анализатора цепей 0.01÷40 ГГц MS4640A фирмы Anritsu, показало, что в диапазоне частот 0-18 ГГц максимальный КСВН коаксиально-микрополоскового перехода предложенной конструкции не более 1,23, что превосходит требования к КСВН прототипа в соответствии с техническими условиями ВРО.364.049 ТУ. Данные приведены в таблице.
По сравнению с прототипом величина КСВН коаксиально-микрополоскового перехода предложенной конструкции уменьшена с 1,5 до 1,23. Кроме того, благодаря применению Арфлон в качестве материала изолятора радиационная стойкость коаксиально-микрополоскового перехода предложенной конструкции возрастает по сравнению с прототипом с 0,5 до 100-250 Мрад в зависимости от марки примененного Арфлона.
Коаксиально-микрополосковый переход предлагается использовать в герметизированных усилительных, генераторных, приемопередающих модулях сверхвысоких частот, в том числе работающих в условиях повышенной радиации.