各種類(lèi)型的射頻同軸連接器設(shè)計(jì)方案

射頻 (RF) 電路正迅速?gòu)V泛應(yīng)用于有線(xiàn)和無(wú)線(xiàn)通信，包括 Wi-Fi 和用于物聯(lián)網(wǎng) (IoT) 的各種無(wú)線(xiàn)技術(shù)。這些高頻信號(hào)需要在系統(tǒng)、電路元件和子組件之間進(jìn)行分配，且產(chǎn)生最小的損耗或寄生輻射。

雖然這一直都是射頻同軸電纜和連接器應(yīng)該承擔(dān)的角色，但是設(shè)計(jì)人員承受著時(shí)間、成本和可靠性方面的壓力，需要確?？焖龠x擇最佳射頻連接器并正確應(yīng)用，以達(dá)到最佳性能并延長(zhǎng)使用壽命。

本文將從關(guān)鍵參數(shù)（例如尺寸、頻率范圍、損耗和耐用性）的角度介紹射頻連接器，幫助設(shè)計(jì)人員確保連接器與射頻應(yīng)用相匹配。本文還將介紹適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案，包括有關(guān)其應(yīng)用和維護(hù)的實(shí)用信息。

射頻同軸連接器

在通信、廣播、無(wú)線(xiàn)以及測(cè)試和測(cè)量應(yīng)用中，射頻同軸連接器和電纜提供了關(guān)鍵射頻鏈路。它們?cè)谏漕l系統(tǒng)、元件、子組件和使用同軸電纜或帶狀線(xiàn)的設(shè)備之間提供低損耗路徑?；镜耐S結(jié)構(gòu)由包圍著同心絕緣介電層的中心導(dǎo)體組成，而該結(jié)構(gòu)又被一個(gè)圓柱形導(dǎo)電外殼包圍。電纜元件的尺寸得到精確控制，提供恒定的導(dǎo)體尺寸和間距，以便電纜作為傳輸線(xiàn)高效發(fā)揮作用。射頻連接器提供了結(jié)點(diǎn)，將同軸電纜和帶狀線(xiàn)傳輸線(xiàn)連接到其他元件或子組件。它們擴(kuò)展了同軸結(jié)構(gòu)，增加了互鎖導(dǎo)體和鎖定機(jī)制，同時(shí)保持恒定的阻抗。圖 1 顯示了來(lái)自Amphenol RF的超小型 A 型 (SMA) 連接器元件配接對(duì)。

圖 1：SMA 連接器對(duì)是同軸連接器的一個(gè)示例，圖中顯示了用于配接的內(nèi)導(dǎo)體、介電層和用于鎖定的外導(dǎo)體。（圖片來(lái)源：Amphenol RF）

圖像左側(cè)是公插頭。圖像右側(cè)為母插頭，也就是連接器對(duì)的插孔或插座。通常，公插頭帶有突出的中心導(dǎo)體，外導(dǎo)體上有內(nèi)部鎖定螺紋。插座帶有凹陷的內(nèi)導(dǎo)體和外部鎖定螺紋。應(yīng)該注意的是，某些“反極性”連接器類(lèi)型的鎖定螺紋是反向的，外螺紋位于上公插頭上，內(nèi)螺紋位于母插頭上。其他鎖定機(jī)構(gòu)可能包括扭鎖、卡口連接或扣鎖環(huán)。

與這個(gè) SMA 連接器對(duì)相似，大多數(shù)同軸連接器都是區(qū)分公母的，兩個(gè)半邊的結(jié)構(gòu)不同。也有某些連接器結(jié)點(diǎn)的每一側(cè)都具有相同的結(jié)構(gòu)。這些主要是用于實(shí)驗(yàn)室應(yīng)用的高精度連接器。

同軸連接器類(lèi)型

雖然射頻連接器種類(lèi)眾多，但它們的許多關(guān)鍵參數(shù)不同。這些規(guī)格包括物理尺寸、阻抗、電壓駐波比、接合類(lèi)型、帶寬或頻率范圍（表 1）。

表 1：常用同軸連接器規(guī)格的總結(jié)表。（數(shù)據(jù)來(lái)源：Digi-Key Electronics）

連接器帶寬

同軸連接器的關(guān)鍵規(guī)格是帶寬。該規(guī)格描述了連接器的最高使用頻率。連接器的最大可用頻率與外殼直徑和用作電介質(zhì)的材料具有函數(shù)關(guān)系。外殼直徑越小，最大可用頻率越高。同樣，使用空氣作為電介質(zhì)可提供相對(duì)于其他電介質(zhì)的最高頻率性能。因此，最高帶寬的連接器使用空氣作為電介質(zhì)。

連接器阻抗

為確保最大功率傳輸并減少反射引起的功率損耗，連接器的特征阻抗應(yīng)與源和負(fù)載相匹配。大多數(shù)面向常規(guī)射頻應(yīng)用的連接器阻抗值設(shè)計(jì)為 50 W；而 75 W 連接器則可用于視頻相關(guān)應(yīng)用。

VSWR

電壓駐波比 (VSWR) 是配接連接器有效阻抗的衡量指標(biāo)。VSWR 越高，由于阻抗不匹配，從連接器反射的功率就越多。請(qǐng)注意，VSWR 是頻率的函數(shù)，連接器 VSWR 值只能在相同頻率下進(jìn)行比較。

接合機(jī)制

上表中的“接合方法”列顯示了采用的機(jī)械鎖定機(jī)制的類(lèi)型。在連接器可能受到振動(dòng)的應(yīng)用中，這一點(diǎn)極其重要。接合通常要在易連接性和安全鎖定之間作權(quán)衡。圖 1 中顯示的 SMA 連接器對(duì)是螺紋接合的一個(gè)示例。圖 2 顯示了卡口式和咬接式接合的示例，分別使用 BNC 和 SMP 連接器類(lèi)型。

圖 2：卡口式和咬接式接合的示例。在預(yù)期將會(huì)發(fā)生振動(dòng)的應(yīng)用中，接合方法非常重要，它通常要在易用性和安全鎖定之間作權(quán)衡。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

連接器尺寸和耐用性

鑒于微型化趨勢(shì)，尺寸在選擇連接器方面起著重要作用。表 2 顯示了所列連接器的尺寸等級(jí)。在連接器尺寸和使用壽命之間需要進(jìn)行折衷權(quán)衡。較小的連接器可用的連接/斷開(kāi)配接次數(shù)通常較少。較大的 N 型連接器的耐用性可能大于 500 個(gè)配接次數(shù)，而微型 U.FL 連接器的耐用性?xún)H限于 30 個(gè)配接次數(shù)。每種連接器的使用壽命因制造商而異，如果使用壽命是一個(gè)重要參數(shù)，則應(yīng)查閱制造商提供的規(guī)格書(shū)。

用于測(cè)試和測(cè)量?jī)x器等應(yīng)用的同軸連接器，通常具有很多配接次數(shù)，一般使用“連接器保護(hù)器”進(jìn)行保護(hù)。這些易于更換的適配器與儀器連接器配接，提供消耗性的連接器基體，可使用多次。

連接器類(lèi)別和行業(yè)規(guī)格

連接器分為多種不同類(lèi)別。表 2 中，精密連接器（如 1 mm 至 2.92 mm 的連接器和 N 型連接器）屬于 IEEE-STD-287 規(guī)格。這些連接器具有更精確的尺寸容差，這是其寬帶寬應(yīng)用所決定的。更多的常見(jiàn)連接器屬于 MIL-STD-348 規(guī)格，或者符合某一種歐洲標(biāo)準(zhǔn)，例如 CECC 22220。這些連接器的容差更寬松，因此有機(jī)會(huì)節(jié)省成本。

配接兼容性

特定連接器類(lèi)別能夠配接不同系列的連接器。表 2 列出了一些可能的互換式連接器配接。1.85 mm 和 2.4 mm 連接器可以互換，2.92 mm 和 3.5 mm 連接器也可以互換。2.92 mm 和 3.5 mm 公頭連接器基體可以與 SMA 母頭連接器配合使用，整體帶寬會(huì)降低。由于它們的容差等級(jí)不同，嘗試將 SMA 公頭與 2.92 mm 或 3.5 mm 母頭連接器配接時(shí)并不可取。SMA 連接器的較大機(jī)械公差會(huì)損壞精密連接器的插座引腳。

連接器額定功率

制造商沒(méi)有提供連接器的功率耗散額定值，因?yàn)樵撘?guī)范高度取決于具體應(yīng)用。功率耗散因頻率、系統(tǒng) VSWR、溫度、海拔高度和負(fù)載阻抗而異。一般來(lái)說(shuō)，功率容量直接隨連接器的尺寸和散熱能力而變化。最大功率耗散值隨著頻率增加而降低。

具有最高功率容量的連接器是 N 型連接器，容量達(dá)到 300 和 400 瓦特 (W)。其次則是 BNC 和 SMA 連接器。精密連接器的功率僅限于數(shù)十瓦特。再?gòu)?qiáng)調(diào)一次，如果需要高功率運(yùn)行，請(qǐng)與制造商聯(lián)系，以獲取更精確的功率耗散規(guī)格，這一點(diǎn)非常重要。

連接器用途

在使用連接器之前，應(yīng)檢查是否有金屬微粒、中心導(dǎo)體彎曲、外殼破裂或變形等損壞（圖 3）。任何損壞都應(yīng)進(jìn)行修復(fù)，或者更換損壞的連接器。連接器應(yīng)保持清潔，不得積累灰塵或其他污染物。連接器基體應(yīng)該平滑配接，不會(huì)粘連或卡住。不要強(qiáng)力進(jìn)行連接器配接；如果發(fā)生問(wèn)題，請(qǐng)重新檢查連接器，以確定問(wèn)題來(lái)源。

配接螺紋連接器時(shí)，請(qǐng)只轉(zhuǎn)動(dòng)外殼，不要轉(zhuǎn)動(dòng)連接器基體或線(xiàn)纜。旋轉(zhuǎn)連接器基體可能損壞中心導(dǎo)體。外套筒手動(dòng)擰緊后，請(qǐng)按照制造商的說(shuō)明，使用校準(zhǔn)的扭力扳手，以達(dá)到指定的鎖緊扭矩。

圖 3：SMA 連接器的示例，左側(cè)圖片為污物和金屬屑積聚在電介質(zhì)上，右側(cè)圖片為使用棉簽和異丙醇清潔之后。（圖片來(lái)源：Digi-Key Electronics）

連接器維護(hù)

連接器應(yīng)保持清潔。確保清潔的最佳方式是在不使用連接器時(shí)使用保護(hù)蓋。如果連接器被灰塵污染，應(yīng)該進(jìn)行清潔。帶有固體電介質(zhì)的連接器可以用浸有異丙醇的無(wú)絨棉簽進(jìn)行清潔。請(qǐng)小心避免彎曲中心導(dǎo)體引腳。清潔螺紋連接器的內(nèi)部和外部螺紋也是一種很好的做法。不要在使用空氣介質(zhì)的連接器上通過(guò)棉簽清潔，因?yàn)橛糜诠潭ㄔ慕橘|(zhì)磁珠可能會(huì)被溶劑損壞。它們可以使用干燥的壓縮空氣進(jìn)行清潔。

選擇同軸連接器

選擇同軸連接器時(shí)，首先要考慮處理所使用信號(hào)需要何種帶寬，然后考慮尺寸和機(jī)械配置（插頭、插座、焊入、面板安裝等）。我們以 1 GHz 信號(hào)發(fā)生器的輸出連接器為例。由于這是測(cè)試和測(cè)量信號(hào)源，所以 BNC 連接器是常見(jiàn)的選擇。BNC 的帶寬大于 1 GHz，可用作面板安裝插座。Amphenol RF 的31-221-RFX型號(hào) BNC 插座是不錯(cuò)的選擇。

為超過(guò) 10 GHz 的頻率信號(hào)選擇連接器時(shí)，可考慮使用 SMA 連接器，例如Amphenol SV MicrowaveSF2950-6062，或者使用 2.92 mm 精密連接器，例如 Amphenol SV MicrowaveSF1521-60013。選擇時(shí)可能要在帶寬和成本之間折衷權(quán)衡。2.9 mm 連接器的帶寬大于 SMA 的兩倍，但在具有帶寬優(yōu)勢(shì)的同時(shí)，它的成本幾乎是后者的三倍。

如果尺寸是首要的規(guī)格，應(yīng)考慮連接器的耐用性。例如，Molex LLCMMCX 插孔型號(hào)0734152063的額定配接次數(shù)為 500 次。Hirose Electric Co.的U.FL-R-SMT(10)尺寸小巧，但能夠耐受的配接次數(shù)只有 30 次。此外，也可能存在顯著的成本差異。

總結(jié)

本文介紹了各種類(lèi)型的射頻同軸連接器，總結(jié)了它們的主要屬性，為設(shè)計(jì)人員提供了很好的著手點(diǎn)，幫助他們?yōu)槠湓O(shè)計(jì)選擇合適的連接器。正如本文所述，選擇看似簡(jiǎn)單的射頻同軸連接器時(shí)，仔細(xì)了解工程要求非常重要。建議進(jìn)一步查詢(xún)供應(yīng)商的規(guī)格書(shū)，以查看更詳細(xì)的信息。