射頻同軸連接器通常被認(rèn)為是裝接在電纜上或安裝在儀器上的一種元件，作為傳輸線電氣連接或分離的元件,它屬于機(jī)電一體化產(chǎn)品。簡單的講它主要起橋梁作用。實(shí)質(zhì)上是一段帶有連接結(jié)構(gòu)的非均勻同軸連接線體。說它不均勻是由不可避免的臺階結(jié)構(gòu)形成的,這些結(jié)構(gòu)必須保證內(nèi)、外導(dǎo)體相對位置的固定與同軸電纜內(nèi)外導(dǎo)體的連接以及與異性連接器內(nèi)外導(dǎo)體的連接。連接要可靠,接觸電阻要小,使得不連續(xù)性電容最小,無信號泄漏。有些連接器還要考慮防水、防塵結(jié)構(gòu)。一般來講,內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)得越復(fù)雜,過渡臺階越多,電性能傳輸越不好。所以連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)只要滿足必須的支撐,結(jié)構(gòu)以簡單為好。下面就連接器設(shè)計(jì)談三點(diǎn)體會。

一、 連接器與所連接電纜的特性阻抗必須一致

常用同軸電纜特性阻抗有兩種：50Ω 和75Ω。各種同軸電纜其特性阻抗都有公差范圍,一般來講,50Ω 軟性電纜公差為±2Ω,75Ω 軟性電纜公差為±3Ω,而 50Ω半硬性電纜的特性阻抗公差在±1.5Ω以內(nèi)。

同軸連接器的特性阻抗(空氣介質(zhì)時(shí))為：

（1）

式中Z0為連接器的特性阻抗；D為外導(dǎo)體內(nèi)徑；d為內(nèi)導(dǎo)體外徑；ε0為空氣介電常數(shù)。

在室溫和標(biāo)準(zhǔn)氣壓下,干燥空氣的相對介電常 數(shù)ε0=1.000536,一般情況下計(jì)算 Z 0時(shí),都把ε0值 近似取為1。則50Ω 連接器的 D/d 值為：

（2）

為了支撐和固定中心導(dǎo)體與外導(dǎo)體的相對位置,內(nèi)外導(dǎo)體之間必須設(shè)計(jì)有介質(zhì)支撐,目前介質(zhì)支撐材料有：聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯。因?yàn)榻橘|(zhì)支撐的重量對電性能影響極大,這就要求介質(zhì)支撐材料的密度一致性要好,一般情況下, 用棒材車制的比壓鑄介質(zhì)支撐密度一致性好。為了保證連接器內(nèi)支撐段和空氣段特性阻抗一致,即同軸線每個(gè)截面的特性阻抗和所接電纜特性阻抗一致。在介質(zhì)支撐段中：

（3）

式中εr 為介質(zhì)支撐的介電常數(shù),則50Ω 連接器以聚四氟乙烯為介質(zhì)時(shí)計(jì)算得 D/d 比值近似為3.29。

（4）

二、介質(zhì)支撐的設(shè)計(jì)與共面補(bǔ)償

第一部分設(shè)計(jì)時(shí)確定了連接器內(nèi)部特性阻抗的 計(jì)算和阻抗匹配問題,從而大致就定下了結(jié)構(gòu)尺寸, 然而由于介質(zhì)支撐的出現(xiàn),支撐的εr 和空氣ε0的差 別,要保證每個(gè)截面特性阻抗相同,必然內(nèi)、外導(dǎo)體 在結(jié)構(gòu)上要設(shè)計(jì)成臺階狀。常見形式有以下幾種：

圖1 介質(zhì)支撐常見形式

從以上幾種形式看出,在放介質(zhì)支撐的地方, 內(nèi)、外導(dǎo)體形成了槽,幾何形狀上出現(xiàn)了階梯,正因?yàn)檫@些階梯,必然引入了不連續(xù)電容。圖2表示了圖1中a 、b 、c 不同方案下的不連續(xù)電容

圖2 不同方案下的不連接電容

各種具體加工的方案引起的不連續(xù)電容數(shù)值是 不一樣的,采用恰當(dāng)?shù)膬?nèi)、外導(dǎo)體槽深度組合能使不 連續(xù)電容減至最小。圖2表示出4F R 支撐端面不 連續(xù)電容與外導(dǎo)體槽深比例的關(guān)系曲線。設(shè)：外導(dǎo) 體內(nèi)徑標(biāo)稱尺寸是 Φ7,內(nèi)導(dǎo)體外徑標(biāo)稱尺寸為 Φ3, 并使支撐處截面特性阻抗為50Ω。當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體上不切 槽(圖1中c),只在外導(dǎo)體內(nèi)徑上切槽,令其狀態(tài)槽 為h 0,則圖2中曲線表明外導(dǎo)體槽深h 是h 0的25% 左右,而內(nèi)導(dǎo)體槽深度在保證其截面特性阻抗為 50Ω 前提下可計(jì)算出來。這種內(nèi)、外導(dǎo)體深度組合, 總階梯電容最小(如圖2),結(jié)構(gòu)見圖3。

圖3 總階梯電容最小的結(jié)構(gòu)

盡管在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)對內(nèi)、外導(dǎo)體支撐處進(jìn)行槽深恰當(dāng)組合使得不連續(xù)電容最小化,但還是存在少量不連續(xù)電容,為達(dá)到極寬頻帶內(nèi)剩余反射很小,要對少量不連續(xù)電容作共面補(bǔ)償。共面補(bǔ)償就是在出現(xiàn)不連續(xù)的面上引進(jìn)補(bǔ)償,如圖4所示。

圖4 共面補(bǔ)償結(jié)構(gòu)

它是在圖 3的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn),即在介質(zhì)支撐與空氣交界 的端面上將介質(zhì)挖去一部分(構(gòu)成圓環(huán)凹槽),形成 小電感來補(bǔ)償階梯不連續(xù)電容。至于圓環(huán)凹槽挖去多少,補(bǔ)償階梯不 連續(xù)電容最佳,主要根據(jù)介質(zhì)支撐與外導(dǎo)體配合松緊程度、擠壓量是多少,使支撐重量保持在理論計(jì)算值為準(zhǔn),這就需要設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)。現(xiàn)在可以借助高頻仿真軟件(HFSS)計(jì)算校準(zhǔn)設(shè)計(jì)的正確性，而且可以修改,不斷完善,直至最佳狀態(tài)。圖5是對圖1-c , 圖3,圖4的結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行仿真計(jì)算驗(yàn)證 VS WR 設(shè)計(jì)效果(條件：特性阻抗50Ω,εr =2.03)。從圖5仿真驗(yàn)算結(jié)果可清楚看出,(c)種方案最好,頻率在10G Hz 時(shí) VS WR未超過 1.01,說明對不連續(xù)性電容補(bǔ)償是有效果的。

(a)按圖1-c設(shè)計(jì)的同軸線

（b）按圖3設(shè)計(jì)的同軸線（h/h0=0.25）

（c）按圖3設(shè)計(jì)的同軸線（h/h0=0.25）

圖5 VSWR與f的關(guān)系曲線

三、連接器內(nèi)、外導(dǎo)體大尺寸向小尺寸過渡問題?

內(nèi)、外導(dǎo)體大尺寸向小尺寸過渡的結(jié)構(gòu)形式在 連接器設(shè)計(jì)中經(jīng)常出現(xiàn),導(dǎo)體的截面突變處引起階 梯電容產(chǎn)生反射很大,所以必須進(jìn)行補(bǔ)償。 (1)錐體過渡補(bǔ)償方法(見圖6) 這種過渡方法,斜角α越小,過渡段越長,加工越 困難,浪費(fèi)原材料,而且裝配時(shí)軸向尺寸也不易控制。 從電性能上看,這種方法補(bǔ)償頻帶很窄,現(xiàn)在普 遍不采用。只有在 D/D＇ >5.48情況下采用(見圖7),

圖6 錐體過度補(bǔ)償辦法

例如在7/16型轉(zhuǎn) 2.9 型,7/16 型轉(zhuǎn) 2.4 型的轉(zhuǎn)接器中才出現(xiàn)這種情況。這類轉(zhuǎn)接器,由于7/16型使用頻率比較低(如1G Hz ～4G Hz),所以將錐體過渡改為直角臺階軸向錯(cuò)位(圖7b),電性能(VS WR)也近似相同。

圖7 D/D＇=5.48錐體過渡與臺階過渡 VS WR 曲線

通過比較,圖7(b)略好一些。?

(2)臺階式過渡軸向錯(cuò)位(見圖8)?

有關(guān)實(shí)驗(yàn)表明,當(dāng) D/D＇<3時(shí)通常采用臺階式軸向錯(cuò)位 Δ 的方式來補(bǔ)償階梯電容,效果比較明顯。?

（5)

圖8? 臺階式過渡軸向錯(cuò)位

為了驗(yàn)證上述結(jié)論,取出 N 型轉(zhuǎn) S M A 型的臺階過 渡處一段圖,進(jìn)行仿真計(jì)算,再對尺寸修正完善,得 到圖9所示驗(yàn)證結(jié)果。

圖9? N 型轉(zhuǎn) SMA 型的臺階過渡仿真結(jié)果

從圖9 看出,當(dāng) Δ<3 時(shí)采用臺階軸向錯(cuò)位過渡,對階梯電容補(bǔ)償效果比較好。當(dāng)然在尺寸上、介質(zhì)選擇上還可以進(jìn)一步改進(jìn)。所以在設(shè)計(jì)連接器支撐時(shí),支撐處不但要重點(diǎn)考慮反射和不連續(xù)電容補(bǔ)償問題,而且還要考慮支撐的重量以及支撐與內(nèi)、外導(dǎo)體的配合間隙問題。因?yàn)檫@兩個(gè)因素對電性能影響很大,必須要求支撐重量恒定,與金屬配合無間隙。

總結(jié)

射頻同軸連接器在微波段傳輸線中相當(dāng)于一段 非均勻的同軸線形的“橋梁”,要求該“橋”使信號無損耗地通過。但是絕對無損耗是做不到的,必須精 心設(shè)計(jì),還要精心制造,設(shè)計(jì)時(shí)對主要的四處反射源 (口部接插連接部位、介質(zhì)支撐部位、導(dǎo)體臺階部位 及接電纜部位)要進(jìn)行精確的計(jì)算和補(bǔ)償。另外,對絕緣支撐介質(zhì)均勻性、重量都有很嚴(yán)格 的要求,必要時(shí)要采用適當(dāng)?shù)臄U(kuò)頻方法來改善電性能。在有條件的情況下,設(shè)計(jì)時(shí)可借助于高頻仿真軟件(HFSS)驗(yàn)算設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性,進(jìn)行修改完善,這樣就省略了大量的試生產(chǎn)時(shí)間,快速適應(yīng)市場需求。

編輯：黃飛

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