用于同轴连接器和同轴电缆的同轴超声波焊接互连的方法和装置

摘要

本发明公开了一种用于通过超声波焊接而与具有实心外部导体的同轴电缆互连的同轴连接器，其设有整体式连接器本体，该连接器本体有孔。环形扩口座从孔朝着连接器的连接器端径向向外倾斜，该环形扩口座开口于连接器的连接器端。内部导体帽提供为用于通过超声波焊接而与同轴电缆的内部导体互连。各内部和外部导体互连的超声波焊接可以在不需要将电缆和/或连接器从它们的夹具中取出的情况下通过内部导体和外部导体超声焊极来进行，该内部导体和外部导体超声焊极相互同轴。

说明书

技术领域

本发明涉及电缆连接器。更特别是，本发明涉及一种同轴连接器 以及用于通过超声波焊接而使得该同轴电缆连接器与同轴电缆互连的 方法和装置，其中，互连可以通过单个固定安装操作来进行。

背景技术

同轴电缆连接器例如用于需要较高精度和可靠性的通信系统中。

为了在电缆和连接器之间产生稳固的机械互连和优化的电互连， 希望使得同轴电缆外部导体的前边缘和连接器本体之间有大致均匀的 周边接触。外部导体的张开的端部可以通过连接体而抵靠连接器本体 的环形楔形表面被夹持。这种技术的代表为共同拥有的美国专利 No.6793529，该美国专利No.6793529的公开日为2004年9月21日， 授予Buenz。尽管这种连接器通常为可拆卸/可重新使用，但是由于所 需的多个单独的内部元件、互连螺纹和相关周围密封件，因此制造和 安装复杂。

本领域中还公知通过焊接和/或粘接剂互连而设置成永久性互连 的连接器。这种技术的代表为共同拥有的美国专利No.5802710，该美 国专利No.5802710的公开日为1998年9月8日，授予Bufanda等。 不过，焊接和/或粘接剂互连可能很难在高水平质量控制的情况下施 加，从而导致互连可能不会令人满意，例如当受到振动和/或腐蚀一段 时间时。

无源互调失真（也称为PIM）是一种形式的电子干扰/信号传输退 化，它可能在不太对称互连的情况下产生，和/或经过一段时间后产生 为机电互连偏移或退化，例如由于机械应力、振动、热循环和/或材料 退化。PIM是重要的互连质量特征，因为由单个低质量互连产生的 PIM可以使得整个RF系统的电性能退化。

在互连处理过程中，同轴连接器和/或同轴连接器可以安装在夹具 中，该夹具将连接器和/或电缆相对彼此固定在可靠的预定方位。根据 互连的类型，可能需要多个夹具和/或安装/重新安装工具，以便执行 互连处理过程的单独部分，例如相对于同轴电缆的各内部和外部导体 分别形成可靠的机电互连。不过，各安装/重新安装处理过程花费附加 的时间和/或可能提供了引入对齐误差的机会。

在同轴电缆连接器市场中的竞争集中于提高电缆与连接器的互连 的电性能和长期可靠性。而且，降低总体成本（包括材料、培训和安 装成本）也是商业上成功的重要因素。

因此，本发明的目的是提供一种同轴电缆以及互连的方法，它克 服了现有技术的缺陷。

附图说明

包含在说明书中并构成说明书的一部分的附图表示了本发明的实 施例，附图中，相同参考标号表示相同结构或元件，且可以并不对于 表示有它们的每一个图都详细介绍，这些附图与上面的本发明总体说 明以及下面的实施例详细说明一起用于解释本发明的原理。

图1是穿过同轴连接器插入的同轴电缆和内部导体帽的示例实施 例在开始连接器与电缆互连之前的局部切除示意外部等距视图，该内 部导体帽表示为与内部导体的端部间隔开。

图2是图1的同轴连接器的局部切除示意等距视图，其中，外部 导体超声焊极（sonotrode）使得外部导体的前边缘抵靠扩口座进行扩 口。

图3是图2的区域A的放大图。

图4是图1的同轴连接器的局部切除示意等距视图，其中，外部 导体超声焊极前进，以便开始使得外部导体的前边缘抵靠扩口座进行 扩口。

图5是图1的同轴连接器的局部切除示意等距视图，其中，外部 导体超声焊极安置在前端扩口上，且内部导体超声焊极前进，以便开 始内部导体帽在内部导体上的超声波焊接。

图6是图1的同轴连接器的局部切除示意等距视图，其中，内部 导体和外部导体超声焊极退回。

图7是图1的同轴连接器的局部切除示意等距视图，其中，互连 完成。

图8是准备插入夹具中的同轴电缆和同轴连接器的示意等距视 图。

图9是图8的夹具的示意等距视图，其中，同轴电缆和同轴连接 器安置在夹具中。

图10是图8的夹具的示意等距视图，该夹具环绕同轴电缆和同轴 连接器闭合，准备通过同轴内部和外部导体超声焊极进行扩口和/或超 声波焊接。

具体实施方式

铝已经应用为铜的一种具有成本效益的替代品，用于同轴电缆中 的导体。不过，在暴露于空气的铝表面上快速地形成氧化铝表面涂层。 这些氧化铝表面涂层可能使得普通的机械、焊接和/或传导性粘接剂互 连退化。

本发明人已经认识到越来越接受具有铝和/或铝合金实心外部和/ 或内部导体的同轴电缆将使得连接器能够设置成用于通过在外部和内 部导体以及相应连接器本体和/或内部导体帽内部接触部之间的超声 波焊接来互连，它们也可以各自具有成本效益地提供，例如由铝和/ 或铝合金形成。

而且，对于内部导体互连，本发明人已经认识到由于铝内部导体 同轴电缆结构与具有内部接触部结构的现有同轴电缆连接器互连而产 生的多个难题。由于铝的蠕变特征，现有的同轴连接器机械互连内部 接触部结构通常与铝内部导体并不相容。而且，在铝内部导体和不同 金属（例如青铜、黄铜或铜）的内部接触部之间的电化学腐蚀可能导 致机电互连的加速退化。

对于外部导体与连接器本体和内部导体与内部导体帽的互连都利 用摩擦焊（例如超声波焊接）将能够进行分子键互连，具有固有的抵 抗力来防止腐蚀和/或材料蠕变互连退化。而且，分子键互连基本消除 了由于机械互连偏移和/或退化而产生PIM的机会。

超声波焊接可以通过在希望焊接在一起的两个部件之间的连接区 域中在压力下施加超声波振动而形成，从而导致足以使得相邻表面塑 化的局部热量，然后，该相邻表面保持相互接触，直到交流的表面冷 却，从而完成焊接。超声波焊接可以通过超声焊极和/或同时的超声焊 极端部而以高精度施加给点和/或延伸表面。在施加点超声波焊接的情 况下，可以施加连续的交叠点焊，以便产生连续的超声波焊接。

超声波振动可以例如沿线性方向和/或沿圆弧段往复（称为扭转振 动）地施加。

因为超声波焊接处理的局部磨损能够破坏在紧邻焊接区域中的任 何氧化铝表面涂层，因此对于除去或以其它方式处理在互连表面上存 在的氧化铝将不需要另外的处理。

在图1-7中示例说明了内部和外部导体可超声波焊接同轴连接器 2的示例实施例。最好如图1中所示，整体连接器本体4设有孔6，该 孔6的尺寸设置成在其中接收同轴电缆9的外部导体8。最好如图3 中所示，从孔6朝着连接器本体4的连接器端18径向向外成角度的扩 口座10开口于同轴连接器2的连接器端，从而提供了匹配表面，外部 导体8的前端扩口14可以通过超声波焊接机的外部导体超声焊极16 而与该匹配表面进行超声波焊接，该外部导体超声焊极被插入，以便 从连接器端18接触前端扩口14。

本领域技术人员应当知道，连接器端18和电缆端12在这里用作 同轴连接器2的相应端部的名称，也用作这里所述的同轴连接器2和 超声焊极的离散元件的相应端部的名称，以便根据它们沿连接器的纵 向轴线在连接器端18和电缆端12之间的对齐来识别它们以及它们的 相应互连表面。

在通过超声波焊接进行互连之前，同轴电缆9的前端可以通过切 割同轴电缆9以使得内部导体24从外部导体8伸出进行制备，最好如 图1中所示。还有，在内部导体24和外部导体8之间的电介质材料 26可以往回剥去，并除去一定长度的外皮28，以便暴露各自的所需长 度。

从同轴电缆9的制备端部伸出的内部导体24可以选择为穿过至作 为选定连接相接部31的一部分的连接器端18。如果选定的同轴电缆9 的内部导体24具有比选定连接器相接部31的内部导体部分大的直径， 内部导体24可以在连接器端18处被磨削至所需直径。

尽管直接穿过内部导体24有利地消除了互连（例如弹簧篮与普通 同轴连接器内部接触部的互连），但是这样可能引起电性能退化，例如 PIM。在内部导体24也是铝材料的情况下，一些用途可能在连接相接 部31的内部接触部/内部导体处需要非铝材料连接点。例如，如图1 中所示，例如由金属如黄铜或其它所需金属形成的内部导体帽20可以 也通过摩擦焊（例如超声波焊接）而施加在内部导体24的端部上。

内部导体帽20可以设有在电缆端12处的内部导体孔座和在连接 器端4处的所需内部导体相接部22。内部导体孔座的尺寸可以设置成 与同轴电缆9的内部导体24的制备端部23匹配。为了施加内部导体 帽20，内部导体24的端部被磨削，以便提供与内部导体帽20的选定 孔座几何形状相对应的插销。为了在焊接附接过程中允许进行材料交 流，内部导体帽20的孔座几何形状和/或内部导体24的端部可以形成 为提供材料间隙25。

旋转键27可以提供于内部导体帽20上，该旋转键27的尺寸设置 成与内部超声焊极工具15匹配，用于使得内部导体帽20旋转和/或扭 转往复运动，用于通过超声波摩擦焊而互连。

同轴电缆9的电缆端12穿过孔6插入，且在外部导体8的前边缘 上进行环形扩口操作。形成的前端扩口14可以成角度，从而与扩口座 10相对于同轴连接器2的纵向轴线的角度相对应。通过抵靠扩口座10 进行扩口操作，形成的前端扩口14能够形成为与扩口座角度直接对 应。扩口操作可以利用外部导体超声焊极16的前边缘来进行，该前边 缘设有圆锥形的圆柱形内部唇缘，该内部唇缘的连接器端18的直径小 于外部导体8的内径，用于使得外部导体8的前边缘抵靠扩口座10 进行初始接合和扩口。

例如如图1中所示，覆盖体30可以作为聚合物材料的覆盖模制物 而施加在连接器本体4上。覆盖体30增加了电缆对于连接器的抗扭和 抗拉性。

根据施加的连接相接部31（在这里的示例实施例中说明为标准 7/16DIN凸形相接部），覆盖体30的尺寸可以设置成设有外径圆柱形 支承表面34和/或支承脊（根据选定同轴电缆的直径）。在与其它电缆 和/或装置互连的过程中用于保持同轴连接器2的工具扁平部分39（见 图8）可以通过除去圆柱形支承表面34的表面部分而形成于圆柱形支 承表面34中。

连接螺母36通过覆盖体凸缘32而保持在支承表面34上和/或连 接器端18处的支承脊上。在电缆端12处，连接螺母36可以通过在圆 柱形支承表面34的电缆端附近应用一个或多个保持凸壁（spur）41 （见图8）而保持在圆柱形支承表面34上和/或覆盖体30的支承脊上。 保持凸壁41成角度，具有从电缆端12向连接器端18增加的直径，从 而使得连接螺母36能够从电缆端12至连接器端18经过它们，然后通 过在保持凸壁41的连接器端18处提供的止动面而保持在圆柱形支承 表面34上。

覆盖体30还可以提供在连接器端18处的连接相接结构以及在电 缆端12处的还一加强支承件，从而能够减小连接器本体4的尺寸，因 此能够降低总体材料成本。例如，覆盖体30示例说明为从连接器本体 4的连接器端18伸出，以便提供选定连接器相接部31的部分（7/16DIN 凸形相接部的对齐圆筒38），从而进一步降低连接器本体4的金属材 料需求。

覆盖体凸缘32可以通过提供于连接器本体凸缘40和/或连接器本 体4的外径上的一个或多个互锁孔42（例如孔、纵向压纹、槽、凹槽 等）而与连接器本体4的连接器本体凸缘40可靠键合，从而与连接器 本体4键合，例如如图1中所示。因此，当覆盖体30的聚合物材料在 覆盖模制过程中流入该一个或多个互锁孔42中时，在固化时，覆盖体 30与连接器本体4永久性地连接和旋转互锁。

覆盖体30的电缆端的尺寸可以设置成在同轴电缆的外皮28的表 面附近有内径摩擦表面44，从而例如能够通过连接器本体4相对于外 部导体8旋转而在覆盖体30和外皮28之间进行干涉配合和/或聚合物 摩擦焊，因此不需要在连接器/电缆互连的电缆端12处的周围密封件。

覆盖体30还可以有在电缆端附近的延伸电缆部分，该延伸电缆部 分设有多个应力释放孔46。应力释放孔46可以形成为大致椭圆形结 构，且应力释放孔46的长轴布置成与同轴连接器2的纵向轴线垂直。 应力释放孔46能够使得覆盖体30的电缆端有柔性特征，该柔性特征 朝着覆盖体30的电缆端增加。因此，覆盖体30支承在同轴电缆9和 同轴连接器2之间的互连，而并不引入刚性端部边缘，否则受到弯曲 力的连接的同轴电缆2可能沿该刚性端部边缘弯曲，这可以增加互连 的总体强度和柔性特征。

在覆盖体30通过摩擦焊而与外皮28互连的情况下，在摩擦表面 44和外皮28的外径之间的摩擦将相应表面加热至这样的温度点，在 该温度点，它们开始软化和混合，从而使得它们相对彼此密封。外皮 28和/或覆盖体30的内径可以提供为一系列轮廓图形（例如波形或台 阶形表面）的间隔开的环形峰值，以便提供增加的摩擦，从而允许用 于多余摩擦焊材料流的空隙，和/或添加键锁定用于附加强度。也可选 择，覆盖体30可以通过粘接剂/密封剂而抵靠外皮28密封，或者可以 在连接器本体4与外部导体8互连之后覆盖模制在该连接器本体4上， 注射的聚合物材料的热量使得覆盖体30与外皮28粘接和/或抵靠该外 皮28密封。

在用于电缆和连接器互连的方法中，同轴电缆9的制备端部穿过 连接螺母36（该连接螺母36沿同轴电缆9前进（out of the way），直 到完成互连）和连接器本体孔6插入，以使得外部导体8延伸经过扩 口座10所需距离。连接器本体4和/或覆盖体30的电缆端可以在插入 之前涂覆有粘接剂，和/或可以进行旋转焊接操作，以便使得覆盖体30 和/或连接器本体4的电缆端与外皮28熔合。连接器本体4和同轴电 缆9再保持在夹具37中，从而刚性固定这些元件，用于扩口和通过超 声波焊接步骤来进行电互连摩擦焊。本领域技术人员应当知道，夹具 可以是任意方式的可释放保持机构，同轴电缆和/或同轴连接器2可以 很容易地插入该可释放保持机构中和然后释放，例如如图8-10中示例 表示。

扩口操作可以通过单独的扩口工具来进行，或者通过使得外部导 体超声焊极16前进以便与外部导体8的头部的前边缘接触来进行，例 如如图4中所示，从而导致外部导体8的前边缘抵靠扩口座10扩口（见 图3）。一旦扩口，外部导体超声焊极16就前进至前端扩口14上（如 果在扩口完成后还没有这样安置），并可以开始超声波焊接。

超声波焊接例如可以利用线性和/或扭转振动来进行。在前端扩口 14与扩口座10的线性振动超声波类型摩擦焊中，线性振动施加给前 端扩口14的电缆端侧，同时同轴连接器2和在其中的扩口座10在夹 具37内保持静止。线性振动产生摩擦热，该摩擦热使得在前端扩口 14和扩口座10之间的接触表面塑化。在使用线性振动超声波类型摩 擦焊的情况下，可以应用例如相对于外部导体8的材料特征、直径和/ 或侧壁厚度来选择的合适频率和线性位移，例如在20和40KHz之间 和在20-35微米之间。

在外部导体互连完成的情况下，外部直径超声焊极头部可以前进 为抵靠外部导体8的前端扩口14支承接触，从而进一步提高同轴电缆 9和同轴连接器2的定位。

如图5中所示，然后，在外部导体超声焊极16的孔内，内部导体 超声焊极15前进，以便将内部导体帽20摩擦焊接在内部导体24的制 备端部23上。因为外部导体超声焊极16和内部导体超声焊极15同轴 地布置，因此保证与同轴电缆9的所需同轴元件对齐，而并不需要在 夹具37内调节同轴电缆9和/或同轴连接器2。

内部导体帽20可以预先插入在内部导体24的制备端部23上，或 者也可选择，可以提供为装载在内部导体超声焊极15的电缆端中。内 部导体超声焊极15可以包括键结构48，该键结构48设置成接收和接 合内部导体帽20的旋转键27。通过利用键结构48来驱动内部导体帽 20，可以施加扭转振动超声波类型摩擦焊。

在扭转振动超声波类型摩擦焊中，扭转振动通过由旋转键27与内 部导体帽20连接的内部导体超声焊极15而施加给互连部分，同时同 轴连接器2和同轴电缆9（其中有内部导体24）在夹具37内保持静止。 扭转振动产生摩擦热，该摩擦热使得在制备端部23和内部导体帽20 之间的接触表面塑化。当使用扭转振动超声波类型摩擦焊时，可以应 用例如在20和40KHz之间和在20-35微米之间的合适的频率和扭转 振动位移，其也相对于材料特征和/或匹配表面尺寸进行选择。

也可选择，内部导体超声焊极15可以用于使得内部导体帽20和 内部导体24的制备端部23互连，然后，外部导体超声焊极16环绕内 部导体超声焊极15同轴地前进，以便执行外部导体前端扩口14的扩 口和/或超声波摩擦焊互连。

在外部导体和内部导体超声焊极16、15在操作过程中相互独立的 情况下，可以应用根据各类型的互连的要求而选择的振动轮廓 （profile），该振动轮廓包括振动类型、频率和/或幅值。如果需要， 内部导体和外部导体超声焊极15、16可以同时应用（具有相同的振动 轮廓或者单独的振动轮廓），以便进一步减少互连所需的时间。

例如，如图5中所示，当互连完成时，内部导体和外部导体超声 焊极15、16可以退出，且互连的同轴电缆9和同轴连接器2从夹具 37中释放。通过使得连接螺母36在覆盖体30上面前进至抵靠覆盖体 凸缘32的用于准备互连的位置，从而完成互连，最好如图7中所示。

本领域技术人员应当知道，公开的同轴连接器2和互连方法具有 明显的材料成本效率，并在尺寸和/或重量需求减小的情况下提供了永 久性密封的互连。由于同轴超声焊极的结构，同轴电缆9和同轴连接 器2只需要安装在夹具37中一次，这简化了电互连处理过程。因此， 扩口和电互连方法的单次夹具固定特征可以提高制造速度和/或提高 形成的互连的对齐。最后，因为在各机电互连部分处建立分子键，因 此由这种互连产生的PIM可以明显减少和/或完全消除。

部件表

2 同轴连接器 4 连接器本体 6 孔 8 外部导体 9 同轴电缆 10 扩口座 12 电缆端 14 前端扩口 15 内部导体超声焊极 16 外部导体超声焊极 18 连接器端 20 内部导体帽 22 内部导体相接部 23 制备端部 24 内部导体 25 材料间隙 26 电介质材料 27 旋转键 28 外皮 30 覆盖体 31 连接相接部 32 覆盖体凸缘

34 支承表面 36 连接螺母 37 夹具 38 对齐圆筒 39 工具扁平部分 40 连接器本体凸缘 41 保持凸壁 42 互锁孔 44 摩擦表面 46 应力释放孔 48 键结构

当前面的说明涉及具有已知等效物的材料、比例、整体或部件时， 这些等效物就像单独提出一样包含在本文中。

尽管已经通过对具体实施例的描述示例说明了本发明，且已经相 当详细地介绍了该实施例，但是申请人的目的并不是将附加权利要求 的范围局限或以任何方式限制于这些细节。本领域技术人员很容易知 道另外的优点和变化。因此，在广义方面，本发明并不局限于所示和 所述的具体细节、代表装置、方法以及示意示例。因此，在不背离申 请人的总体发明构思的精神或范围的情况下可以对这些细节进行变 化。而且，应当知道，在不脱离由下面的权利要求限定的本发明范围 或精神的情况下可以对其进行改进和变化。