剖析QLF快锁接头QMA和QN的设计得失

[b]——探索QMA和QN的设计方案[/b]

QUICK LOCK接头的出现是行业的趋势，具有重大意义，尤其是SMA，N的QUICK LOCK 版本QMA和QN，因为SMA和N是RF接头主流的产品，几乎占到RF 接头市场份额的40%，一旦QMA和QN能做到跟现有SMA和N一样的性能和成本，会迅速地在很多应用场合替代SMA和N，这会是一个巨大的市场。
我们先从QUICK LOCK接头的起源说起， N是射频同轴接头家族发明早，成熟，应用也广的接头。N的使用频率DC-11GHz VSWR≤1.25；精密型N型接头使用频率DC-18GHz VSWR≤1.08。还有一种在N基础上设计的APC-7精密平面接头使用频率DC-18GHZ VSWR≤1.003+0.002(f)GHZ。SMA也是RF CONNECTOR家族的老成员，SMA的使用频率：DC-18GHz VSWR≤1.3；见图（1）
  
由于SMA 和N头连接方式都采用螺纹紧锁方式，具有体积大，装卸需要工具，速度慢，操作时需要留空间等缺点。一些通信设备商（比如NOKIA等）和军方陆续传递出了对QUICK LOCK接头QMA和QN的需求信息，因此行业内陆续推出了一些QUICK LOCK设计的SMA 和N 接头,我们称之为QMA和QN. 这种设计力求具备节省装卸时间，不用工具，省去了操作空间，能360°转动,高密度排列等优点.
H+S和RADIALL是早开始这项研发的RF CONNECTOR MANUFACTURER，几年内陆续推出了QMA和QN设计并联合AMPHENOL RF和ROSENBERGER结成QLF战略联盟，分享技术，统一界面标准，合力向市场推广。见[url]www.qlf.info[/url]
我们的RF TEAM也一直致力于QUICK LOCK CONNECTOR QMA和QN的研发，以期为行业提供的的设计方案。同时我们一直在跟踪QLF的研发。现在我们的设计方案已日臻完善。

本文章我们试图通过与QLF设计的横向对比来阐明我们的设计思路。
?        我们先来看QMA，以下是QLF版本的QMA设计（图2）

我们认为这个设计是基本完美的，能做到接近SMA的比较高的工作频率，但还存在一些小问题：
1）        现有市场上的QMA都没有用于防水的密封圈，这样会造成有害气体及水气侵入，由此导致接触导体的可靠性变差。QLF近宣称推出世界首款具有防水功能的QMA，并能跟现有QMA母头互配，这是一个有效解决的方法，但我们目前还没有看到产品。
2）        用铍铜制作的QMA弹簧锁的成本较高，几点因素：铍铜材料成本高，加工难度大,需要热处理，而且需要做专门环保处理
3）        QMA公母头相匹配后，内导体的接触有效长度太少，只有1.6mm，而SMA的有效接触长度是2.3mm，见图（3），这会导致多次使用后内导体的接触可靠性降低。
以上几点是我们认为现有QLF版本QMA还有改进余地的地方，事实上我们即将公布的新版的QMA（为区分，暂且称为CQMA，下同）已经很好的解决了以上问题。
1）        我们的防水设计非常巧妙（如图4），公头外导体孔槽内的O型密封圈在母头外壳斜面的挤压作用下，产生非常好的密封和抗震效果。

2）        我们的CQMA公头弹簧锁是不锈钢制作，（如图5），成本仅仅是铍铜弹簧锁的1/10，并有非常好的抗震效果，完满足军用要求。并且我们对QLF版本的QMA弹簧锁设计做过分析和试验，发现适当修改尺寸后完全可以用青铜替代铍铜，有效插拔次数也完全可以超过QLF标称的100次。

3）        我们认为应该保持SMA相匹配后的接触有效长度2.3mm，我们的设计很容易就实现了这一点。但我们发现QLF的设计很难实现这个目标，因为如果内导体的长度被加长后，会导致其在互配时失去弹簧锁的导向作用，由此增加接触失效的风险。
另外从节省空间的角度考虑，我们特别设计了MINI版本的QMA，我们称之为MINI-CQMA，（如图6），他们具有同样出色的性能表现和更小的体积。

?        再来谈谈QN，实际上在上世纪80年代中国RF工程师就曾经在N CONNECTOR基础上开发过一种快插自锁型连接器(QN), 见图（7）,具有不错的效果。在某些特殊场合得到很好的应用。

?        我们来看看QLF发起人HUNER SUHBE陆续发布过的3个版本的QN   
1）        2002版本，见图（8）
         
     2002版本首先比较成功地抛开了螺纹结构，实现了快插、自锁功能。
优点：  1．提高了连接器装卸效率，达到了快插、自锁，不用工具。
2．        减小了外形尺寸，减轻了重量20%—40%，节约了铜材20%—50%。
3．        提高了连接器的安装密度，节省了安装空间。
4．        连接器安装后可以360°旋转，能保持良好接触。
5．        连接器安装拆卸的培训简单。
缺点：　1．零件加工精密要求高，电气接合面之间间隙大小完全受零件加工控制。
　　　　　　2．结合面有间隙无接触压力，会影响驻波和高互调性能
3．有些偏离N型基本参数QN设计工作重新计算、校验工作量巨大，成熟的N型连接器的成功资源没有被利用
2）2003版本，见图（9）
           
    2003版本在2002版本的基础上作了改进。
特点：  1．在连接器的接触界面增加了一片波浪垫圈。利用波浪垫圈的弹性来增加轴向压力，并能消除接触端面的间隙。
　　　　　　2．降低了接触电阻，有利互调性能的改进。
缺点： 连接器接触端面利用波浪垫圈的弹性解决了间隙问题，但在整个圆周面点上仅有几个点而已，在该点周围的阻抗仍没有达到很好的匹配，电磁波在该点上会引起反射。该连接器使用在DC—1.5GHZ较好，1.5—3G尚可。如果3—6GHZ驻波会更大。6—11GHZ驻波将会更大。
3）2004版本，见图（10）
               
2004版本在2003版本的基础上又作了进一步的改进。
特点： 1、连接器接触面由波浪垫圈改为放射状的碟型弹簧片，增加了轴向压力，减小了接触电阻，提高了接触稳定性。
　　　　2、由于改用了放射状的碟型弹簧片，它与接触端面接触时已不再是几点，而是整个圆周。这样更有利于互调性能的改善，驻波的减小和更低的插入损耗。
　 缺点：1、外导体的接触端面采用了，与放射状的弹簧片的作用下,产生较大的轴向压力，接触电阻得以改善.但同时由于和弹簧作用的领域是个不规则的几何形状,用传输理论推导就会发现该段的特性阻抗是不连续的，会引起较大反射。尤其在传输高频率电磁波时影响更大。DC—1.5GHZ驻波很好，1.5—3GHZ驻波可以接受，3—6GHZ有些场合可能影响使用，6—11GHZ会更差。
         2．该设计仍没有采用N型内导体外径φ3.04和外到底内径φ7.00的基本参数，因此如果要把N型改成这种快插、自锁式会带来大量的重新设计验证的工作量。N型成熟的几十年积累起来的可贵设计资料付之东流。

   基于新版本2004版的QN的问题，我们认为还可以做以下改进：

1．        SMA，N，APC-7精密平面接头三种经典的射频同轴连接器之所以能做到频带宽，VSWR小，是因为他们的接触界面间隙为零，阻抗连续，几乎无反射。而QN如果采用上述版本的弹性接触端面肯定会导致阻抗不连续。所以我们认为仍应采用N型的刚性接触,保证接触端面阻抗连续，使QN能保持N的电气性能:DC—11GHz VSWR≤1.25,精密型QN达到DC-18GHZ VSWR ≤1.08。我们的新设计遵循这一规则并实现了接触端面零间隙，保证了阻抗连续，由此保持了N型的性能指标，并且接头所
用材料仅是QLF版本的80%，（如图11）


                          
1.        我们认为QN的设计应该遵循现有N型的基本参数：内导体应取Φ3.04,而不是Φ2.97，外导体的内径应取Φ7.00，而不是Φ6.85。我们的设计保留了N的基本参数，由此也避免了大量的重新设计验证和试验工作。