Совместимость коаксиальных соединителей типа SMA и типа 3,5 мм

Павлов Сергей Владимирович, начальник отдела ЭСТ Диис, sergey.pavlov@micran.ru

1. Совместимость коаксиальных соединителей тип SMA и тип 3,5 мм

В конце 50-ых годов прошлого века для решения задач микроминиатюризации и расширения частотного диапазона в область верхних частот был создан соединитель с коаксиальной линией 4,1/1,27 мм и фторопластовым заполнением, который назвали Subminiature type A (SMA).

Постепенно стало понятно, что тип SMA не является прецизионным соединителем [1, c. 124]. Для повышения прецизионности коаксиальных соединителей и для повышения их верхней рабочей частоты в 70-ых годах прошлого столетия фирмой Amphenol был создан тип коаксиального соединителя с воздушным заполнением и диаметрами 3,5/1,52 мм. Он изначально создавался на базе популярного в те годы SMA. На рис. 1 показаны интерфейсные и присоединительные размеры вилок и розеток типов 3,5 мм и SMA.

а) Тип 3,5 (розетка)	б) Тип 3,5 (вилка)
в) Тип SMA (розетка)	г) Тип SMA (вилка)

Рис. 1 — Интерфейсные и присоединительные размеры соединителей тип 3,5 и тип SMA

Можно заметить, что соединители имеют одинаковые размеры контактных элементов, один и тот же тип резьбы на накидных гайках и корпусах, поэтому они полностью механически совместимы.

Кроме того, данные типы соединителей совместимы и электрически, что подразумевает наличие компенсирующего трансформатора на границе двух разных типов соединителей, который как минимум не ухудшает согласование, вызываемое неоднородностью среды передачи волн, а в идеале даже улучшает. Рис 2б, иллюстрирует соединение двух разных типов соединителей.

а	б

Рис. 2 — Соединения соединителей SMA – SMA (а) и SMA – Тип 3,5 мм (б) и присоединительные размеры элементов соединителей, формирующие трансформатор импеданса с диапазоном принимаемых значений

Наличие отличных от 0 размеров А и С (рис 2б) формирует подстраивающий трансформатор импеданса. Это означает, что параметры соединения пары 3,5 и SMA не хуже (а зачастую даже лучше) параметров пары сочлененных соединителей SMA. Данный тезис подтверждается как графиками из литературы (см. рис. 3), так и собственными результатами моделирования. На рис. 4 представлены худшие и лучшие параметры пары соединителей SMA − SMA и SMA – Тип 3,5мм. Различие между лучшим и худшим значением параметров определяются соотношениями размеров A, B, C и D для пары SMA – SMA и размеров A, B, C для пары SMA – Тип 3,5 мм. Из рисунка 4 видно, что значения КСВН, принимаемые парой SMA – Тип 3,5 мм в частотном диапазоне 0…15 ГГц, однозначно ниже значений пары SMA – SMA. Лишь в диапазоне частот 15…18 ГГц приближается паритет в их электрической производительности.

Рис.3 – КСВН сочлененных пар SMA – SMA, SMA – 3,5, 3,5 – 3,5 по данным Maury Microwave [2, c.4]

Рис. 4 – Смоделированные значения КСВН сочлененных пар SMA – SMA и SMA – Тип 3,5 мм

Улучшение электрических параметров в паре соединителей тип 3,5 – тип SMA происходит, в том числе, из-за отсутствия второго скачка волнового сопротивления на границе воздух–фторопласт.

2. Сравнительный анализ параметров коаксиальных соединителей тип SMA и тип 3,5 мм

2.1 Частотный диапазон

Предельная частота работы классического соединителя типа SMA по МЭК 610169–15 составляет 18 ГГц. Однако на практике благодаря конструктивными улучшениями получается добиться работы в диапазоне 18…20 ГГц.

Предельная частота работы соединителя типа 3,5 мм определяется конструкцией поддерживающей опоры и, как правило, составляет 32…34 ГГц, притом, что теоретическая частота работы воздушного коаксиального тракта 3,5/1,52 мм – 38 ГГц.

Устройства, созданные с применением соединителей типа 3,5 мм, в дальнейшем гораздо легче подлежат модернизации по расширению частотного диапазона в сторону верхних частот.

2.2 КСВН соединителей

КСВН соединителей типа SMA значительно выше и в зависимости от различных факторов может доходить до 1,25. Максимальное значение КСВН соединителя в тракте 3,5 мм достигает 1,15 [2, c. 37, c. 58]. Это происходит из-за неподстраиваемых присоединительных размеров, а также из-за наличия скачка волнового сопротивления на границе сред «воздух – фторопласт» соединителя SMA. В устройстве типа 3,5 есть возможность подстройки присоединительного размера (см. рис.1 а, б, размер 0,03 max) дистанционными кольцами, в результате значение размера можно выставить в диапазоне 0…30 мкм. Присоединительный размер (утопание центрального проводника и фторопласта относительно reference plane) у соединителя типа SMA (см. рис.1 в, г размеры 0,05 и 0,1 max) может доходить до 50 или 100 мкм, что негативно влияет на КСВН на частотах свыше 10 ГГц. 

2.3 Ресурс соединителей

Соединитель типа SMA относится к соединителям общего применения. Ресурс такого соединителя из-за наличия фторопластового заполнения и более тонких (по сравнению с типом 3,5 мм) ламелей гнезда центрального проводника обычно ограничивается различными производителями 500 циклами сочленений/расчленений. Ресурс соединителей типа 3,5 мм составляет не менее 3000 циклов и, как правило, доходит до 6000–7000 циклов сочленения/расчленения. Более тонкие ламели гнезд соединителей SMA демонстрируют тенденцию к случайному переламыванию или отламыванию при подключении ответных вилок с несоосностью центрального проводника.

Кроме того, из-за меньшего внутреннего диаметра внешнего проводника у соединителя типа 3,5 мм (3,5 мм против 4,1 мм в SMA) толщина стенки корпуса больше (см. рис. 2), что вкупе с более мягким материалом корпуса соединителя SMA (как правило, выполняемого из латуни) приводит к большей механической прочности соединителя 3,5 мм.



2.4 Стабильность характеристик соединителей

Соединители типа 3,5 мм имеют, как говорилось ранее, воздушное заполнение коаксиальной линии. Изменение температуры внешней среды приводит лишь к нагреву воздуха, характеристики устройства остаются прежними. В соединителе типа SMA из-за колебаний температуры внешней среды происходит расширение и сжатие фторопластового диэлектрика, что приводит к изменению присоединительных размеров, которые напрямую влияют на КСВН соединителя и устройства в целом.

Кроме того, фторопласт как материал характеризуется нелинейностью фазовой характеристики, которая скачкообразно изменяется вблизи значения температуры 19 °С [3]. В зарубежной литературе этот эффект имеет название «тефлоновое колено». Он связан со скачкообразным изменением диэлектрической проницаемости фторопласта, обусловленной перестройкой кристаллической структуры. Резко изменяется тепловой коэффициент линейного расширения фторопласта [4]. Данный эффект проиллюстрирован на рис. 5.

Рис. 5 – Скачкообразное изменение теплового коэффициента линейного расширения в районе температуры +19 °С

При применении устройств с соединителями SMA в аппаратуре с контролем сдвига фазы могут возникнуть трудности, в то время как у соединителей с воздушным диэлектриком подобный эффект полностью отсутствует.

3. Вывод

В данной статье мы рассмотрели два типа соединителей: 3,5 мм и SMA. Они являются полностью совместимыми как в механическом плане, так и в электрическом. Однако соединители типа 3,5 мм превосходят SMA в вопросе максимальной верхней рабочей частоты, КСВН, стабильности и ресурса. В связи с этим, мы считаем, что необходимо заменить устройства с соединителем SMA на устройства с соединителями 3,5 мм.

Список используемой литературы

1. К.Б. Джуринский. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры, ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», С.-Петербург, 2014, 428 с.

2. Интернет-ресурс: IMPROVING SMA TESTS WITHAPC3.5 HARDWARE, Maury Microwave, https://www.maurymw.com/pdf/datasheets/5A-011.pdf , 9 с.

3. А. Прокимов, А. Лобанов, К.Джуринский, Р.Кузнецов. Фазовая стабильность кабельных сборок СВЧ с диэлектриком ПТФЭ. Журнал «Компоненты и технологии», №6, 2015, с. 58 – 63.

4. Интернет-ресурс: Teflon PTFE fluoropolymer resin. Properties Handbook. Du Pont, http://www.rjchase.com/ptfe_handbook.pdf, 38 с.