CN105406244B - 一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，包括共轴的外框和芯轴，外框的内部形状为从前往后的阶梯状通孔，该通孔包括设置在中部的垫圈安装孔和设置在后部的锥孔；芯轴的中部设置有直径小于两端的垫圈连接部，芯轴通过安设在垫圈连接部的绝缘垫圈，与外框的垫圈安装孔相套接，使芯轴固定在外框通孔中；芯轴的后端设置有芯轴锥形部，芯轴锥形部与锥孔同轴并相间隔。本发明显著降低了连接器的驻波系数，该连接器还有体积小和结构强度大的优点。

Description

一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法
技术领域
本发明涉及电磁兼容测试设备领域，尤其涉及一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法。
背景技术
GTEM小室是一种产生频率达吉赫兹的横电磁场发生装置，工作频率频率最高可达18GHz，最低频率通常为10kHz。可用于电子设备的电磁敏感性测试，还可作为电磁场强的标定装置，用于标定场强计。
吉赫兹横电磁波(GTEM)小室的电缆连接器，是GTEM小室的组成部分，起着连接外部电缆，接收外部能量，激励GTEM小室的作用。GTEM小室的电缆连接器可保证低驻波比GTEM的实现，使GTEM小室发射的电磁波达到标准规定的驻波比要求。市场上通用的电缆连接器在驻波系数、尺寸等方面无法达到要求，需要进行特殊的设计，并进行定制化生产，才能满足GTEM的驻波系数、尺寸等特性要求。
在中国发明专利CN201010111387.X中公开了一种同轴电缆连接器，同轴电缆包括内导体、螺纹外导体和介电层，同轴电缆连接器包括：设有中心通道的外导体，其具有用于插入同轴电缆的第二端和用于连接匹配的同轴电缆连接器的第一端；设置在中心通道内的绝缘体及其内的中心导体，中心导体具有内径与内导体的外径匹配的深孔；设置在中心通道内的设有中心通孔的压接装置，压接装置的中心通孔靠近外导体的第二端的内径与介电层的外径匹配；设置在中心通道内的设有中心通孔的卡持件，卡持件的中心通孔内表面具有与螺纹外导体匹配的螺纹；扣接在外导体的第二端的套筒。该发明的同轴电缆连接器虽然结构简单、便于加工，但是该发明在驻波系数、尺寸等方面无法满足GTEM小室的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中电缆连接器在驻波系数、尺寸等方面无法达到要求的缺陷，提供一种可显著降低连接器驻波系数的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
本发明提供一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，包括共轴的外框和芯轴，所述外框的内部形状为从前往后的阶梯状通孔，该通孔包括设置在中部的垫圈安装孔和设置在后部的锥孔；
所述芯轴的中部设置有直径小于两端的垫圈连接部，所述芯轴通过安设在所述垫圈连接部的绝缘垫圈，与所述外框的垫圈安装孔相套接，使所述芯轴固定在所述外框通孔中；
所述芯轴的后端设置有芯轴锥形部，所述芯轴锥形部与所述锥孔同轴并相间隔。
所述绝缘垫圈的外径B1和内径b1的比值为其中εr为所述绝缘垫圈材料的相对介电常数，e为自然对数。
所述锥孔的最大内径为D，所述芯轴锥形部的最大外径为d，它们的比值
所述芯轴锥形部上设置有圆柱形凸台，所述凸台上设置有外螺纹。
所述外框与电缆连接的一端为N型阴接头结构。
所述外框还包括对所述绝缘垫圈进行限位的限位挡圈，所述限位挡圈的外径大于所述绝缘垫圈的外径。
所述外框的通孔还包括设置在所述垫圈安装孔和所述锥孔之间的挡圈孔，所述挡圈孔与所述限位挡圈相配合。
所述外框和所述限位挡圈安装时采用过盈配合。
所述绝缘垫圈包括垫圈上部和垫圈下部，所述垫圈上部和所述垫圈下部为两个结构对称的半圆柱环。
本发明还提供一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的设计方法，包括以下步骤：
S1、确定绝缘垫圈的宽度，并确定绝缘垫圈的材料属性；
S2、根据绝缘垫圈的宽度及材料属性，对连接器同轴结构的外框、芯轴和绝缘垫圈三部分进行计算模型的构建；
S3、使用电磁仿真的设计软件进行计算，得出绝缘垫圈在不同内外径情况下的连接器的驻波系数，根据最优的驻波系数确定绝缘垫圈的最优尺寸。
本发明产生的有益效果是：本发明提供一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器及设计方法，通过采用将连接器的垫圈沉入芯轴内径的技术，显著降低了连接器的驻波系数；该连接器还有体积小的优点，满足小室电缆连接器的尺寸要求；通过垫圈对芯轴进行固定，使芯轴不容易抽出，增加了结构的强度；并通过电磁仿真的设计技术，进一步的优化了连接器的驻波系数。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的结构示意图；
图2是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的剖面图；
图3是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的绝缘垫圈的结构示意图；
图4(a)是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的绝缘垫圈的结构示意图；
图4(b)是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的绝缘垫圈的剖面图；
图5(a)是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的外框的结构示意图；
图5(b)是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的外框的剖面图；
图6(a)是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的芯轴的结构示意图；
图6(b)是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的芯轴的剖面图；
图7是本发明实施例采用和未采用下沉技术的连接器驻波系数对比图；
图8是本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的设计方法流程图；
图中1-外框，101-锥孔，102-限位挡圈，2-芯轴，201-垫圈连接部，202-芯轴锥形部，203-凸台，3-绝缘垫圈，301-垫圈上部，302-垫圈下部。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1、图2所示，本发明实施例的赫兹横电磁波小室电缆连接器，包括共轴的外框1和芯轴2，外框1的内部形状为从前往后的阶梯状通孔，该通孔包括设置在中部的垫圈安装孔和设置在后部的锥孔101；
芯轴2的中部设置有直径小于两端的垫圈连接部201，芯轴2通过安设在垫圈连接部201的绝缘垫圈3，与外框1的垫圈安装孔相套接，使芯轴2固定在外框1通孔中；
芯轴2的后端设置有芯轴锥形部202，芯轴锥形部202与锥孔101同轴并相间隔。本连接器的设计采用下沉技术，即绝缘垫圈3沉入芯轴2的内径，通过这样的设计方法，可以大幅降低连接器的驻波系数。
外框1为金属结构，优选铝、铜或钢材料；芯轴2为黄铜材料；绝缘垫圈3为聚四氟乙烯材料，即塑料。限定连接器的厚度小于20mm。
外框1还包括对绝缘垫圈3进行限位的限位挡圈102，限位挡圈102的外径大于绝缘垫圈3的外径。外框1和所述限位挡圈102在安装时采用过盈配合。
如图3所示，绝缘垫圈3包括垫圈上部301和垫圈下部302，垫圈上部301和垫圈下部302为两个结构对称的半圆柱环。
在安装连接器时，先将垫圈上部301和垫圈下部302固定安装在芯轴2上，它们之间的贴合可以使用胶合的方式，然后将芯轴2放置入外框1内部，最后将限位挡圈102放入外框1中，安装限位挡圈102时采用过盈配合，保证在安装限位挡圈102后，芯轴2能够被紧密的固定在外框1内部。
外框1的通孔还包括设置在垫圈安装孔和锥孔之间的挡圈孔，挡圈孔与限位挡圈102相配合。
如图2、图4(a)、图4(b)所示，绝缘垫圈3设置在外框1和芯轴2的垫圈连接部201之间，起支撑连接的作用，能够显著的降低连接器的驻波系数。除了绝缘垫圈3支撑的部分以外，外框1与芯轴2其余不接触的部分以空气为介质。绝缘垫圈3的外径B1和内径b1的比值为其中εr为绝缘垫圈3材料的相对介电常数，e为自然对数，e＝2.718。
如图5(a)、图5(b)所示，外框1与电缆连接的一端为N型阴接头结构，该部分的横截面为方形，其外部设置有螺纹。连接器一端与标准N型阴接头尺寸、结构相同，由于连接器的外接端与N型阳头连接，因此与外接N型阳头设计的一端采用标准的N型阴头设计，保证与外接的阳头有较好的连接。
如图6(a)、图6(b)所示，芯轴2的垫圈连接部201的外径为b1，芯轴2两端的外径为a1，满足b1<a1，不同于传统的b1＝a1；同时，在外框1的内腔尺寸上，内腔的直径为A1，绝缘垫圈3的外径为B1，满足B1>A1，这也是下沉技术需要满足的条件，下沉技术可以显著降低连接器的驻波系数，并且对芯轴2的固定起到了加强作用，使内芯轴2不容易抽出，增大了连接器的结构强度，可提升其使用寿命。
如图2、图5(a)、图6(b)所示，外框1包括锥孔101，锥孔101在输出端的内径逐渐增大；芯轴2还包括芯轴锥形部202述芯轴锥形部202在输出端的外径逐渐增大；锥孔101和芯轴锥形部202同轴。锥孔101的最大内径为D，芯轴锥形部202的最大外径为d，它们的比值
芯轴2的芯轴锥形部202上设置有圆柱形凸台203，凸台203上设置有外螺纹。与芯轴2连接的吉赫兹横电磁波小室的芯轴上将打孔，孔中有螺纹，这样可保证连接器与吉赫兹横电磁波小室的芯轴精确连接。
本发明实施例还提供一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的设计方法，用于设计本发明实施例的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，包括以下步骤：
S1、确定垫圈的宽度，并确定垫圈的材料属性；
S2、根据垫圈的宽度及材料属性，对连接器同轴结构的外框、芯轴和垫圈三部分进行计算模型的构建；
S3、使用电磁仿真的设计软件进行计算，得出垫圈在不同内外径情况下的连接器的驻波系数，根据最优的驻波系数确定垫圈的最优尺寸。
在本发明的另一个实施例中，首先确定绝缘垫圈3的宽度为5mm，以及绝缘垫圈3的材料的相对介电常数εr＝2.2，此时根据公式可以计算得到绝缘垫圈3的外径和内径的比值B1/b1≈3.44。接下来确定输出端同轴外腔直径为D＝6.92mm，芯轴2直径d＝3mm，凸台直径c＝1.8mm，外框1的内腔直径A1＝2.756mm，芯轴2的垫圈连接部4两端的外径a1＝1.197mm。
如图6所示，使用商业电磁仿真软件，如CST软件，通过电磁软件的电磁优化，绘制出在不同内外径情况下的逐步系数曲线，在18GHz时，驻波系数小于1.1，作为对比，未采用下沉技术的连接器在18GHz时，驻波系数达1.35。此时绝缘垫圈3的内外径为b1＝0.958mm，B1＝3.294mm，驻波系数接近最优。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，包括共轴的外框(1)和芯轴(2)，其特征在于，所述外框(1)的内部形状为从前往后的阶梯状通孔，该通孔包括设置在中部的垫圈安装孔和设置在后部的锥孔(101)；
所述芯轴(2)的中部设置有直径小于两端的垫圈连接部(201)，所述芯轴(2)通过安设在所述垫圈连接部(201)的绝缘垫圈(3)，与所述外框(1)的垫圈安装孔相套接，使所述芯轴(2)固定在所述外框(1)通孔中；
所述芯轴(2)的后端设置有芯轴锥形部(202)，所述芯轴锥形部(202)与所述锥孔(101)同轴并相间隔；
所述绝缘垫圈(3)的外径B1和内径b1的比值为其中εr为所述绝缘垫圈(3)材料的相对介电常数，e为自然对数。
2.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，其特征在于，所述锥孔(101)的最大内径为D，所述芯轴锥形部(202)的最大外径为d，它们的比值
3.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，其特征在于，所述芯轴锥形部(202)上设置有圆柱形凸台(203)，所述凸台(203)上设置有外螺纹。
4.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，其特征在于，所述外框(1)与电缆连接的一端为N型阴接头结构。
5.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，其特征在于，所述外框(1)还包括对所述绝缘垫圈(3)进行限位的限位挡圈(102)，所述限位挡圈(102)的外径大于所述绝缘垫圈(3)的外径。
6.根据权利要求5所述的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，其特征在于，所述外框(1)的通孔还包括设置在所述垫圈安装孔和所述锥孔之间的挡圈孔，所述挡圈孔与所述限位挡圈(102)相配合。
7.根据权利要求6所述的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，其特征在于，所述限位挡圈(102)安装时采用过盈配合。
8.根据权利要求1所述的吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，其特征在于，所述绝缘垫圈(3)包括垫圈上部(301)和垫圈下部(302)，所述垫圈上部(301)和所述垫圈下部(302)为两个结构对称的半圆柱环。
9.一种吉赫兹横电磁波小室电缆连接器的设计方法，其特征在于，用于设计吉赫兹横电磁波小室电缆连接器，该连接器包括共轴的外框(1)和芯轴(2)，所述外框(1)的内部形状为从前往后的阶梯状通孔，该通孔包括设置在中部的垫圈安装孔和设置在后部的锥孔(101)；
所述芯轴(2)的中部设置有直径小于两端的垫圈连接部(201)，所述芯轴(2)通过安设在所述垫圈连接部(201)的绝缘垫圈(3)，与所述外框(1)的垫圈安装孔相套接，使所述芯轴(2)固定在所述外框(1)通孔中；
所述芯轴(2)的后端设置有芯轴锥形部(202)，所述芯轴锥形部(202)与所述锥孔(101)同轴并相间隔；
所述绝缘垫圈(3)的外径B1和内径b1的比值为其中εr为所述绝缘垫圈(3)材料的相对介电常数，e为自然对数；
该方法包括以下步骤：
S1、确定绝缘垫圈的宽度，并确定绝缘垫圈的材料属性；
S2、根据绝缘垫圈的宽度及材料属性，对连接器同轴结构的外框、芯轴和绝缘垫圈三部分进行计算模型的构建；
S3、使用电磁仿真的设计软件进行计算，得出绝缘垫圈在不同内外径情况下的连接器的驻波系数，根据最优的驻波系数确定绝缘垫圈的最优尺寸。
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