工程师精心分享微波射频连接器的优化

射频/微波连接器很小并且经常被忽略,但它们可以作为许多电子设备和系统的网关,将组件和系统连接在一起以实现正确的操作。同轴射频连接器通常被认为是理所当然的,直到失败。它们有助于许多电子设备和系统的运行,从蜂窝电话和无线数据网络到最先进的雷达和电子战(EW)系统。无论是设计还是简单维护电子设备和系统,了解RF /微波连接器的作用都可以帮助提高性能和可靠性。

在研究有关连接器的技术细节之前,可能有助于回顾他们的一些历史。连接器有多种形状和尺寸。它们用于各种电子设备,从音频到毫米波频率。接口尺寸,机器容差,材料,甚至是这些材料上的电镀和表面处理,都有助于提高连接器的性能和可靠性。同轴连接器设计用于安装在同轴电缆的末端,印刷电路板(PCB),面板上以及许多不同的电子元件和器件封装上。为什么有这么多不同类型的同轴连接器和适配器在很大程度上是RF /微波历史和高频技术发展的问题。随着更高频率应用的不断发展。

任何组装有线电视(CATV)系统及其F型连接器/电缆组件的人都会体会到电连接器的便利性,而不必知道其电气和机械效益。首先,使用同轴连接器可节省时间和精力。在使用同轴连接器组装诸如放大器和滤波器之类的组件时,通过配对公头(插头)和母头(插座)连接器对连接两个部件比焊接或硬连线两个部件之间的连接更简单和更快。而且大多数耦合连接器可以在需要时轻松脱离,以简化系统内的组件维护。

目前正在使用的同轴连接器的数量主要取决于在满足对诸如语音,视频和数据通信等应用不断增长的需求所需的RF /微波频率下使用的扩展频带数量。小的连接器尺寸通常转化为更高的工作频率。目前,同轴连接器设计可用于直流至125 GHz的频率范围。射频/微波同轴连接器配置包括用于端接同轴电缆的直角和直角版本,用于设备面板和元件封装,端部发射,直角或垂直PCB连接器的隔板和法兰安装连接器,甚至推动 – 用于难以触及的电气连接的连接器。但在第二次世界大战之前,UHF连接器的频率范围约为DC到300 MHz,

图1 – UHF公头到母头

多年来,UHF连接器为300MHz左右的应用提供了可靠的服务。(图1)但是随着第二次世界大战以及新兴军事需求,包括通信和雷达系统在内的更高频率应用,UHF连接器(非恒定阻抗)显然不适用于更高频率的应用。20世纪40年代早期,联合美国陆军海军射频电缆协调委员会(ANRFCCC)成立,旨在制定用于通信无线电和雷达系统的同轴电缆,连接器和刚性高频传输线的电气和机械标准。委员会的目标和发现后来被纳入武装部队电子标准局(ASESA),最终被包含在国防电子供应中心(DESC)中,

1942年,ANRFCCC推出了带有螺纹连接螺母和空气接口的N型连接器。新连接器以贝尔实验室的Paul Neill命名,同时也是ANRFCCC的成员。H型连接器的高压版本N型连接器后来被释放,然后是带有扭锁连接机构的C型连接器,用于快速连接和断开连接。它的发明者是安费诺公司的卡尔康塞尔。较小的同轴连接器将包括由Neill和Concelman开发的卡口式BNC和螺纹TNC连接器。

N型连接器最初是由美国海军舰艇局编写的规范所涵盖的,最终军事规范MIL-C-71直到MIL-C-39012,于1964年颁布以控制军用N型连接器的规格。早期的N型连接器存在许多缺点,促使工业供应商在尝试提高性能时修改尺寸。开发了许多接口变体,特别是测试和测量公司的仪器应用,使N型性能达到约18 GHz。但通用型N型连接器的性能达到约11 GHz,在MIL-C-39012的军事应用中有所规定。

目前,更流行的同轴射频/微波连接器之一是超小型A型或SMA连接器。它始于1958年Bendix研究实验室的James Cheal设计的Bendix真正微型(BRM)连接器,并最终成为Omni-Spectra(现为M / A-COM Technology Solutions)工作结果的SMA连接器,它进入他们的Omni Spectra微型(或OSM)连接器。SMA连接器最初用于0.141英寸直径的半硬同轴电缆,电缆的中心导体用作连接器的中心引脚。稍后将修改为使用柔性电缆,使用直接焊接到电缆中心导体的中心引脚。1968年,SMA连接器被纳入MIL-C-39012规范,其中它被称为超小型A或SMA连接器。SMA连接器的标准版本可以很容易地从DC运行到18 GHz,精确版本可用于DC到26.5 GHz。

连接器对通过不同的耦合技术进行匹配,包括扭转或卡口锁定,卡入式固定装置和螺纹连接。如表格所示,大多数连接器采用螺纹连接,包括N型和SMA连接器。某些连接器(例如SMB连接器)使用搭扣配合技术。BNC连接器采用了早期独特的匹配方法之一,其典型频率范围为DC至4 GHz,可以为50或75Ω应用制造。通常在低功率信号发生器,示波器和其他测试设备中发现,BNC采用卡口式固定环,可实现简单的配合,但也提供可靠和可重复的电气连接,并有助于防止意外断开,特别是在高振动环境。BNC在母连接器上配有两个卡口式接线片,并且只需四分之一圈的正向配合所需的联接螺母即可快速连接和断开连接。不幸的是,当标准BNC受到4 GHz以上的EM辐射时,这种耦合方法在较高频率上有其缺点。TNC连接器是超过4 GHz的BNC连接器的螺纹版本,除联轴螺母和配合表面外,共享所有接口尺寸。

许多故事声称说明这个连接器的三字母缩写的起源,包括英国海军连接器和卡口节点连接器。但是,作为连接器大师尼尔和康塞尔曼的另一个创作者,最有可能的全名是Bayonet Neil-Concelman连接器。BNC连接器适用于尺寸从RG-174 / U到RG-213 / U的电缆,包括常用于闭路电视(CCTV)系统的RG59 / U同轴电缆。它们的耦合机制的确定性和安全性也使它们成为医疗电子设备的流行候选者。其规格涵盖了国际电工委员会(IEC)标准IEC60169-8和MIL-C-39012。

图。2 – 为高频连接器选择50Ω阻抗作为处理功率(30Ω)的最佳阻抗和最低衰减(77Ω)之间的最佳折衷。

根据美国联邦通信委员会(FCC)要求严格控制的天线和替代品不得超过规定的功率等级和/或工作带宽,这受FCC第15部分独特的连接器要求的限制。通过结合反向极性接口(在不同性别的中心导体相反的情况下)或通过在连接器上使用反向螺纹,可以确保使用第15部分兼容接口或耦合的组件不会与标准连接器及其组件配对。反极性/反向螺纹方法可用于各种同轴连接器类型,包括N型,BNC,TNC,MMCX,SMB和SMA连接器。

高频连接器阻抗通常为50或75Ω。最大功率传输阻抗值为30Ω,理论最小衰减阻抗为77.5Ω。高频连接器代表这两个值之间的妥协,因为它们的平均值约为50Ω。(图2)当需要长时间的传输运行时,如CATV系统中的最小衰减,对优化功率传输的关注较少,因此较高阻抗的75Ω连接器通常用于这些系统。

同轴连接器按性别区分:插座或母头连接器和插头或公头连接器。具有公母配置的标准连接器连接成对配对。公触点是一个引脚,母触点是一个插座。同轴适配器可以连接同一性别的连接器,或者减轻昂贵测试仪器上使用的精密连接器的磨损。这种适配器通常被称为连接器保护器,因为它们与测试连接器配合,并且还为要测试的电缆组件或同轴部件提供配合端,从而将磨损放在适配器而不是精密连接器上。

共面

图。3 – 横截面代表配对的SMA连接器。

非共面

图。4 – 横截面代表配对的N型连接器。

性别化连接器可以是共面的(图3)或非共面的(图4),并且通常在内导体和外导体中都是性别匹配的,如类型N和SMA连接器。对于共面连接器,中心导体和外部导体匹配在同一平面内(如SMA连接器)。对于非共面连接器,中心导体与外部导体不匹配(例如N型,BNC和TNC连接器)。同轴连接器可采用空气或固体电介质设计,聚四氟乙烯(PTFE),Delrin®或热塑性塑料可用作常见的固体介电材料。空气作为最佳电介质,然后是PTFE,然后是Delrin。具有固体电介质的连接器可以齐平或具有重叠配置,75ΩBNC和50ΩSMA和SSMA连接器可以是齐平连接器配置的示例。

建筑材料比较

RF Industries等主要供应商提供各种同轴连接器和适配器,其中包括SMA,N型,7/16 DIN,QMA和3.5 mm连接器。如前所述,不同的连接器提供不同的功能和优势,包括尺寸,频率范围和功率处理能力。但是,RF Industries还提供一些连接器,例如SMA或N型连接器,可选择不同的材料,例如黄铜或不锈钢基材,以及各种表面处理,包括金,银,镍,白青铜和钝化。但为什么这么多的选择?

这可能有助于比较一些用于构建同轴连接器的不同金属,以了解它们在连接器性能方面的优缺点。连接器的材料可以根据其机械,电气和环境特性以及材料通过焊接,卷边或其他工艺与其他材料连接的程度进行评估。选择的材料应该具有良好的导电性,最小的电阻,良好的机械加工性能,良好的稳定性和良好的硬度,以承受重复的连接循环,并且磨损和性能下降最小。许多金属都会受到表面腐蚀的影响,这会随着时间的推移而降低电气性能,因此只能使用合适的金属。

例如,不锈钢是含少量铬的钢合金。在暴露于潮湿环境中时不会生锈或腐蚀。这是一种非常耐用且经常用于连接器外壳的坚硬材料,但由于其硬度和较低的导电性,不适用于接触部件。成本高于青铜或黄铜,但具有高稳定性,高耐用性和出色的耐腐蚀性,可在各种操作环境中实现高可靠性。不太耐用但成本较低,黄铜也用于连接器外壳以及连接器触点。它基本上是一种易于加工的铜锌合金,比不锈钢柔软得多。它是热量和电力的绝佳导体,

连接器部件出于各种原因镀有不同的金属,包括:改善导电性和导热性,改善导体之间的接触,甚至改善部件的可焊性或可焊性。贵金属,其中金和银,往往是优秀的导体,并且它们耐腐蚀,但这些是昂贵的材料,所以在制造连接器时,在其他金属上使用薄层。这使得可以在尽可能少地使用材料的同时利用电镀金属的电性能和热性能。

例如,金是一种优秀的导体,它具有非常好的抗氧化性。它大大提高了由铜或黄铜制成的连接器部件的导电性。但由于其成本较高,金被镀成薄层,有时会受到扩散或磨损金表面的影响。为了使金扩散最小化,镍(有时为铜)被用作金层下的底镀层。

银也是一种很好的电气和热导体,但比黄金便宜。它还可以镀在铜和黄铜等材料上以提高其电气性能,可承受高损耗的高电流负载,并且特别擅长将高功率级别的PIM降到最低。但是,与黄金一样,白银也有其缺点,其主要缺点是当暴露于某些污染物(包括硫基材料和臭氧)时其倾向于变色。幸运的是,钝化可以将变色的影响降至最低。钝化可能意味着不同的事物,通常是指将保护性氧化层恢复到金属表面的过程,使其更能抵抗锈蚀和腐蚀。

这些是同轴连接器制造中使用的一些金属,并且RF Industries使用它们来构建高性能SMA,N型,7/16 DIN,QMA和3.5 mm连接器。该公司的SMA和N型连接器可提供不锈钢或黄铜外壳,有多种涂层类型。SMA连接器可以具有钝化,镍或金涂层,而N型连接器可以钝化或镀镍,银或白青铜。白色的青铜色饰面提供了银的替代品,没有玷污问题,也没有镀镍的PIM诱发倾向。7/16 DIN连接器的特点是带有银色或白色青铜色表面的黄铜体,QMA连接器使用黄铜和白色青铜色表面,3.5毫米连接器由303不锈钢制成,具有钝化表面以防止腐蚀。在有选择的情况下,低成本(黄铜)和更高的性能和使用寿命(不锈钢)之间往往是明显的折衷。但特定应用的需求可能并不那么明显,并且需要说明者联系技术支持,以便选择基材和表面处理的最佳组合的同轴连接器。

按规格排序

选择连接器可以很简单,只要匹配系统中已经使用的连接器类型,或者像评估一组设计要求一样复杂,以找到最符合要求的连接器。指定用于任何RF /微波设计的同轴连接器的起点是频率范围,因为任何连接器选择必须为应用提供足够的带宽。如表格所示,同轴连接器可用于许多不同的频率范围,某些宽带,以及毫米波频率范围。大多数应用需要特征阻抗为50Ω的连接器,但对于那些以75Ω工作的系统,可使用多种连接器类型,包括BNC和TNC连接器,通常用于3 GHz以下的应用。

在电气上,同轴连接器通过许多不同参数进行评估,包括作为频率函数的最大插入损耗(IL)和最大驻波比(VSWR)。配对连接器对的IL仅为10log10(PR / PT),其中PT是传输(或应用于连接器)的功率,PR是损耗后从连接器接收的功率。可以从简单的关系中找到配对连接器对的最大IL作为频率F(以GHz为单位)的函数:

SMA 15’电缆组件

图。5 – 该图显示了一对SMA连接器的插入损耗与频率之间的关系,作为15英尺长的一部分。电缆组件。

最大IL = X(F)0.5其中X是一个倍数因子,从连接器到连接器对不同

由正向和反射波组合导致的传输线上最大和最小电压的VSWR比:

VSWR = [1 +(Pr / Pf)0.5] / [1-(Pr / Pf)0.5

哪里

Pr =反射功率(W)和

Pf =正向功率(W)

根据以下关系,给定配对连接器对的最大VSWR也可以作为频率的函数发现:

最大VSWR = Y(F)0.5

Y是产生最大VSWR值的因素,

如1.02 + 0.1(F)0.5,其在4GHz为1.22:1,在9GHz为1.32:1

额外的同轴防水连接器电气参数包括最大工作电压(VDC),绝缘电阻(MΩ),绝缘耐压,工作温度范围和工作寿命,最大插拔次数。某些连接器(如7/16 DIN连接器)设计用于低失真性能,尤其是低无源互调失真(PIM)。高PIM可能会影响依赖于数字调制格式的通信系统的性能,而这些特殊特征的连接器可以确保最小的连接器PIM级别。PIM特性通常也适用于任何同轴电缆,并将连接器视为系统电缆组件的一部分。

所有连接器都具有有限的工作寿命,并且任何连接器的工作寿命均由插拔次数指定。无论设计多么好,连接器最终都会磨损,并且其性能会随着使用时间的延长而降低。连接和断开会导致任何连接器磨损。

一些连接器类型与其他连接器兼容,这种特点可以在某些测试和测量应用中很好地发挥作用。例如,SMA连接器倾向于与2.92和3.5毫米连接器兼容,但它们可能无法提供这些较小连接器的全部频率范围。带有空气电介质的不锈钢连接器通常设计为500次插拔,而大多数SMA连接器的插拔次数较少。然而,较小的较高频率的连接器,例如2.4,1.85和1mm连接器,不与SMA连接器交叉配合。特别是对于测量应用,通过使用扭矩扳手并保持标准扭矩(如8至12英寸 – 磅)可以实现不同(尽管兼容)连接器类型之间的重复性。对于大多数射频/微波连接器。

像RF Industries这样的连接器供应商使用具有宽带RF /微波信号发生器的微波矢量网络分析仪(VNA)系统将其连接器表征为配对,以通过配对连接器对测量正向和反向功率电平(即,发射和反射)。额外的测试设备,如宽带功率放大器,也用于评估通过连接器的最大功率水平。

设计人员应该知道,某些连接器供应商提供三种不同等级的连接器:商业级(用于标准元件的生产和通用),通用精度等级(用于仪器和测试设备)和实验室精度等级(用于校准和测量标准)(图6)。在许多情况下,这些不同等级的同轴连接器中的一种可满足某些要求苛刻的应用所要求的更严格的公差。

设计工程师应该让他们的电气和机械要求清单(包括频率范围,插入损耗,VSWR以及工作温度,冲击和振动方面的性能)帮助指导他们选择同轴连接器。除了频率起始电气点,IL和VSWR外,技术指标不仅要考虑需要多少次插拔次数,还要考虑冲击,振动和工作温度对连接器对系统性能贡献的影响。另一个考虑因素是哪种特殊连接器配置(例如压接,夹具,PCB或面板安装连接器)可能适用于特定应用。不要忘记,考虑到特定同轴连接器选择的不同优势时,成本也应该考虑在内。

作为运行至10 GHz的设计的选择过程的一个示例,考虑的连接器将包括基于其工作频率范围的N型和SMA连接器。两者都是50Ω连接器,具有出色的电气特性。N型连接器在10 GHz时最大驻波比约为0.2 dB,最大驻波比为1.30:1。SMA连接器具有相同的IL性能,在10 GHz时最大VSWR约为1.25:1。两者的额定最小插拔次数均为500次,工作温度范围宽达-65至+ 165°C。较大的N型连接器在比SMA高的电压和功率下实现较低的射频泄漏,-80dB,而SMA为-60dB。N型连接器的额定工作电压更高,约为1500 V,而SMA的最大值为500 V。在这种比较的情况下,对于高电压和低射频泄漏的系统要求将会选择N型连接器。另外,当连接器被视为电缆组件的一部分并且诸如功率处理性能(诸如用于发送器应用)的性能参数是关键考虑因素时,它将受到连接器( s)和电缆。(有关指定同轴电缆组件的更多信息,请参阅RF Industries即将推出的免费白皮书。)它将受到连接器和电缆组合的限制。(有关指定同轴电缆组件的更多信息,请参阅RF Industries即将推出的免费白皮书。)它将受到连接器和电缆组合的限制。(有关指定同轴电缆组件的更多信息,请参阅RF Industries即将推出的免费白皮书。)

精密SMA电缆组件

图。6 – 精密SMA连接器可提供直流至26.5 GHz的卓越性能。

综上所述

同轴连接器的范围从DC到毫米波频率,适用于125 GHz的射频/微波应用。一些高频连接器随着尺寸的减小而增加成本。连接器可以从商业级到高精度等级使用。然而,通过仔细考虑应用程序的需求,可以发现正确的连接器最适合该连接器与该应用程序的权衡。

比较连接器:从音频到毫米波频率
连接器类型 频率范围 耦合 阻抗
RCA DC至10 MHz 推进 75Ω
超高频 DC至300 MHz 螺纹 50Ω
BNC DC至4 GHz 扭锁 50,75Ω
跨国公司 DC至12.4 GHz 螺纹 50,75Ω
跨国公司 DC至12.4 GHz 反向螺纹 50Ω
类型N DC至11 GHz 螺纹 50Ω
类型N DC至11 GHz 反向螺纹 50Ω
SMA DC至18 GHz 螺纹 50Ω
SMA DC至18 GHz 反向螺纹 50Ω
SMB DC至4 GHz 快点 50Ω
SMC DC至10 GHz 螺纹 50Ω
SSMA DC至40 GHz 螺纹 50Ω
C DC至10 GHz 扭锁 50Ω
SC DC至11 GHz 扭锁 50Ω
7毫米 DC至18 GHz 螺纹 50Ω
3.5毫米 DC至34 GHz 螺纹 50Ω
2.92毫米 DC至40 GHz 螺纹 50Ω
2.40毫米 DC至50 GHz 螺纹 50Ω
1.85毫米 DC至65 GHz 螺纹 50Ω
1.00毫米 DC至110 GHz 螺纹 50Ω
0.8毫米 DC至125 GHz 螺纹 50Ω

本文来源:http://www.renhotec.cn/

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