射頻同軸連接器的三項基本設計原則

任何一種射頻同軸連接器，都需要經過設計、生產加工、裝配、測試檢驗諸過程，才能成為合格產品，供安裝使用。

在這些形成合格產品的過程中，都涉到產品的VSWR，即都與產品的VSWR有關，因而都可能存在影響產品的VSWR的因素。

1 設計三原則

研制寬帶精密同軸元件的三項基本設計原則，不僅適用于精密同軸連接器，同樣，也適用于具有VSWR要求的所有射頻同軸連接器。

因而，三項基本設計原則是目前進行設計時必須遵守的原則。三項基本設計原則的要點是：

1.1設計原則1

? 在連接器的每一個橫截面上盡可能保持一個恒定的特性阻抗。例如：50Ω。

? 應用一段特性阻抗高于和低于標稱阻抗的傳輸線，對導體上的階梯、槽或間隙進行補償，限制了寬帶性能，不能應用到寬帶精密元件上。

1.2設計原則2

? 阻抗不連續是不可避免的;

? 對于每個阻抗不連續，都要進行補償;

? 為獲得最好的性能，首先應把未補償的不連續減至最小;

? 其次對剩余的阻抗不連續，應進行補償(引入一個單獨的共面補償);

? 改變阻抗的做法，限制了帶寬，不適合寬帶設計。

1.3設計原則3

? 同軸元件中導體的尺寸公差總是不可避免的;

? 把電氣性能對機械公差的依賴減至最小。例如：易磨損，碰傷處。

這三項基本設計原則，雖然人所共知，但應用起來，由于種種原因，經常會出現一些偏差，或顧此失彼，出現一些這樣或那樣的問題。一些例子如：

圖1. 三項基本設計原則應用不當示例

在圖1圖a中，為固定內導體，防旋轉或竄動，常在內導體上設置1處或2處倒刺，或在內導體上滾上直紋、網紋，使內導體局部外徑增大，而在相對應的外導體上來做補償，致使倒刺或滾花處阻抗不連續。不符合基本設計原則1和2;

在圖1圖b中，在內、外導體直徑變化處，產生不連續電容，需要進行補償，但常常被忽略，這不符合基本設計原則2;

如圖c在絕緣支撐的結構設計中，在設計中雖然注意進行共面補償，但決定補償好環的重要尺寸δ，常常選擇不當，因而補償不當;

如圖d，因結構工藝需要，常常需要在內導體或外導體上開孔，孔徑φ影響了該處的特性阻抗，但常被忽略，引起阻抗不均勻;

如圖e和圖f，有些產品因結構需要，收口處正是機械電氣基準面或在基準面處設置壓環，用來固定絕緣支撐，這種情況不符合設計原則3。

2 結構參數偏差對VSWR的影響

2.1 機械加工公差對特性阻抗的影響

射頻同軸連接器的特性阻抗由下式確定：

或

式中：

Z --表示特性阻抗單位Ω;

D--外導體內徑單位mm;

D--內導體外徑單位mm;

εr--絕緣介質的相對介電常數。

在產品零件的生產加工過程中，任何尺寸都不可避免地存在尺寸公差。內外導體直徑的公差對特性阻抗的影響為：

對50Ω空氣線：

對50Ω介質線：

式中：

△D--外導體內徑的公差;

△d--內導體外徑的公差;

△εr--絕緣介質相對介電常數的誤差;

△Zo--引起的特性阻抗的偏差。

由內、外導體直徑的公差引起的電壓駐波比為：

2.2 不同軸度引起的特性阻抗的偏差

圖2. d和D的偏心度

連接器內、外導體的橫截面由于制造或裝配的原因會出現不同軸，假設不同軸度為e，如圖2所示。

由于不同軸度e的作用，改變了傳輸線中該段的分布電容，所產生的阻抗誤差為：

式中，頁號表示特性阻抗變小。

對于50Ω的連接器，其阻抗誤差為：

2.3 內、外導體上的槽對特性阻抗的影響

為了保證彈性接觸的需要，在連接器的內、外導體上常開有不同數量的軸向槽，由于開槽，使該處的導體直徑變小，引起該處的特性阻抗變化，這些槽引起的特性阻抗的偏差為：

式中：

△Z--特性阻抗變化的百分數;

N--為開槽的數目;

ω--為內導體上的槽寬;單位：mm;

W--為外導體上的槽寬;單位：mm;

d--內導體外徑;單位：mm;

D--外導體內徑;單位：mm;

2.4 內、外導體上軸向間隙對特性阻抗的影響

圖3.插針和插孔的連接配合

同軸連接器配對連接后，總是希望插頭和插座兩者的內、外導體在軸向實現緊密接觸。

但由于機械結構的原因，要達到兩者都能緊密接觸是非常困難的。

為了預防插損內導體，通常設計時使外導體端面緊密接觸無間隙，允許內導體的接觸端有微小間隙。

設內導體的接觸端面間隙為g，如圖3，該間隙所引起的電壓駐波比取決于 間隙的寬度和陰性接觸件的槽寬。引起的駐波比的計算公式如下：

式中：

f--為工作頻率; 單位：GHz;

g--內導體間隙寬度;單位：mm;

dg--內導體插針的直徑;單位：mm;

ω--插孔上的槽寬;單位：mm;

d--內導體外徑;單位：mm;

N--內導體插孔上槽的數目。

因種種原因，外導體接觸端面存在間隙時，設間隙為G，則引起的駐波比的相應公式為：

式中：

f--為工作頻率;單位：GHz;

G--外導體端面間隙寬度;單位：mm;

Dg--間隙區內外導體直徑;單位：mm;

D--外導體標稱內徑;單位：mm;

W--外導體接觸件上的槽寬;單位：mm;

N--外導體接觸件上開槽的數目。

3 絕緣支撐的軸向位置和結構設計對特性阻抗的影響

為了支撐內導體，不得不設置絕緣支撐，絕緣支撐的設置，不得不切割內、外導體。

內切割內導體和外切割外導體不可避免地在絕緣支撐的表面引起不連續電容，形成反射;絕緣支撐的厚度和絕緣支撐相互之間的距離若設計不當，也會引起反射。

所有這些都會影響射頻連接器的電壓駐波比。

3.1 阻抗設計

當 作寬帶絕緣支撐設計時，根據基本設計原則1，在絕緣支撐內部的特性阻抗必須和與之相連的空氣介質區的特性阻抗相同。

如果在絕緣支撐和內、外導體的金屬表面存在空氣隙，則很容易致使截面上的相對介電常數發生變化，因而對該處的特性阻抗會有很大的影響。

當特性阻抗有偏差時，該偏差引起的駐波比由下式給出：

式中：

S是以百分數表示的駐波比;

△Z是以百分數表示的特性阻抗的誤差;

f是以GHz為單位的頻率;

fo是以GHz為單位的頻率，在這個頻率時，絕緣支撐的電長度是一個波長。

對切割內、外導體處絕緣支撐表面引起的不連續電容，通常采用挖去部分材料的辦法，進行共面補償，由界面補償的小誤差引起的駐波比由下式給出：

式中：S、f和fo與前含義相同;

Δx是在1.0GHz時以百分數表示的單一面上的駐波比。

當工作頻率不高時，可以采用高阻設計。即絕緣支撐內部的特性阻抗Zε略高于標稱阻抗Z。，通常的作法是取Zε=1.08Z。

有時也采用幾何平均值兩段式過渡的方式，即滿足等式：

Z1表示第一段的阻抗，Z2表示第二段的特性阻抗。

3.2 絕緣支撐的厚度

在均勻同軸傳輸線中絕緣支撐的諧振頻率是絕緣支撐長度(厚度)及其相對介電常數的函數，在厚度B一定時，諧振頻率隨介電常數εr的減小而升高，在εr一 定時，諧振頻率隨絕緣支撐的厚度B的減小而升高。

當B趨近于零時，就成為一個空氣同軸線，其諧振頻率由它的截止頻率所決定。

而當B接近外導體直徑D時，由 于絕緣支撐的諧振作用使得同軸線中的電磁波傳輸極不穩定，并使同軸線的截止頻率受到約束而下降。

可見，絕緣支撐的厚度必須小于外導體的直徑，即B

式中：

B為絕緣支撐的厚度;

fc為空氣同軸線的理論上限頻率;

f為工作頻率;

λg為工作頻率的波長;

εr為絕緣支撐的相對介電常數。

3.3 絕緣支撐在連接器的軸向位置

一對插合的連接器，其絕緣支撐在同軸線中的位置以距同軸線直徑變化處的位置模型如下圖所示：

圖4.絕緣支撐在連接器中的軸向位置模型

圖中L為兩絕緣支撐之間的距離，l為絕緣支撐到基準面之間的距離L=2l;B為絕緣支撐的厚度，L1為絕緣支撐到外導體直徑變化處 的距離。

同軸腔中的諧振不僅由絕緣支撐內部的場決定，而且外部的空間距離也有相當大的影響，即兩個絕緣支撐之間的距離將影響諧振頻率，當L≥2D時，絕緣 支撐之間的相互影響可減至較小，而當L=3D時，絕緣支撐之間的相互影響完全可以忽略不計。

絕緣支撐距外導體的直徑變化處L1=D時，相互影響減至最小，而當L1=1.5D時相互影響可以忽略不計。

因此當L的取值小于D時，往往影響到射頻連接器的電壓駐波比。

4 過渡設計

在連接器的結構設計中，由于界面不同或配接的電纜的直徑不同，經常會遇到內、外導體直徑的變化，產生不連續電容。

為了補償階梯產生的不連續電容，需要采取一定的補償方法，如果補償過渡設計不當，會嚴重影響射頻連接器的VSWR，對于過渡設計的結構，常用的結構如下：

4.1 錯位過渡

為了滿足導體直徑變化的需要，采用內、外導體錯開一段距離的辦法進行補償，也有人稱作階梯補償、直角補償等。

如圖5所示：粗端內、外導體直徑分別用d和D表示，細端內、外導體直徑分別用d1和D1表示，錯開的距離用a表示。

圖5.錯位補償示意圖

當

時，

式中K是取決于特性阻抗的常數。

式中：當特性阻抗為50Ω時，K=3.09;

當特性阻抗為75Ω時，K=3.04。

當同軸線為固體介質同軸線時，

式中：K同上，εr為絕緣介質的相對介電常數。

當

時，

空氣同軸線

固體介質同軸線

4.2 錐體過渡

錐體過渡形式如圖6所示：

圖6.錐體過渡結構圖

錐體過渡又稱漸變過渡，這段過渡段的阻抗可按下式計算：

對于空氣介質段，則為：

以上適用

時

4.3 類中值過渡

在連接器直徑很小的情況下，在兩個特性阻抗截面之間可以進行補償

當Z1Zo

滿足：

圖7.類中值過渡結構圖

5 表面粗糙度的影響

有資料顯示，在大約0.381μm以下的表面粗糙度容易在電氣上平均掉。

但是一些觀察表明，特性阻抗對表面 粗糙度有依賴。

當具有1.905μm的表面的內導體在7GHz時代替0.127μm粗糙度的內導體時，7/16英寸標準空氣線的特性阻抗，發現有大于 0.1%的差別，相當于特性阻抗的這樣一個差別的導體直徑的直接改變是大約5.08μm，然而內導體平均直徑的實際差別低于0.508μm，雖然這個效應 到目前為止尚無理論證明，但是可以測量的。并且應加以注意。

6 導體鍍涂的影響

為了降低導體的電阻率，常對導體表面進行鍍涂。但常常具有令人失望的結果。

導體電阻率是重要的，因為它涉及到特性阻抗和傳播速度的關系。

同樣也涉及到損耗的關系。

在500MHz以上，導體電阻率對特性阻抗和傳播速度的影響是二階的，并且常常被忽略。

由于電鍍方法不同，使得鍍銀得到的導體電阻率有很大的改變。

電鍍槽中包含有工業光亮劑的鍍銀導體， 所顯示的電阻率，大約與黃銅一樣。

無工業光亮劑的鍍銀導體有很低的電阻率，脈沖電鍍可以進一步降低電阻率。

如圖8所示：

圖8.做為頻率函數的導體電阻率的測量數據

7 裝配不當帶來的影響

在裝配過程中，由于種種原因，會產生裝配不當。

在生產線上，檢測VSWR指標時，也常會發現，因裝配不當導致產品VSWR超標，常見的問題有：

a、零件位置顛倒、錯亂、張冠李戴等;

b、零件前后方向顛倒，如絕緣支撐，數量或多或少;

c、零件砘粗變形，導致內、外導體直徑變化，尤其是小型產品、卡環等;

d、零件端面碰傷，有劃痕、壓痕等;

e、裝配中，異物進入連接器內部或多余物未清除干凈;

f、電纜剝制尺寸不當等。

8 測試系統的缺陷帶來的影響

所有的射頻同軸連接器的駐波性能，都是通過測試儀器顯示出來的，對駐波比性能的測試，不論采取那種方法(無誤差識別測量法、雙連接器法和有誤差識別測量法)都需要應用標準試驗連接器或轉接器和標準負載、或稱精密型轉接器和精密負載。

并要求，使用的測試用電纜應是優選嚴格精密的公差類型的。

一般來說，這些測試用附件，都是與儀器配套的或說是原裝的徑標定的。

但是在實際生產過程中，因各生產廠經濟狀況不同，或長期使用缺乏標定，或買的是二手儀器測試附件不配套來檢等，往往存在一些缺陷，即測試系統的測試附件剩余VSWR超標。

試想用這樣的測試系統測出的數據能夠準確嗎?

但是，這些缺陷又常常被忽略，總認為測試系統是標準的，把注意力放在被測射頻連接器上。

所有這些，都不能真實的反映出產品的VSWR性能。

9 生產加工不當漏檢帶來的影響

盡管目前很多企業都在貫標，施行質量控制保證體系，非常重視質量問題，但是常常由于種種原因，生產出的產品零件，不能保證100%的零件都不存在問題，這些存在局部缺陷的零件，裝配到產品上，就會影響產品的VSWR。

生產線上常發現的缺陷有：

a、產品內腔深處階梯間距尺寸超差、直徑尺寸超差等;

b、產品內腔階梯處存在峰邊、卷邊、大毛刺、殘余銅屑等;

c、產品內腔倒角不均、不同心、偏大或偏小尺寸角度超差等;

d、開槽、打孔尺寸超差;

e、產品內腔表面粗糙度差，尤其在接觸表面上存在刀紋、振紋等。

以上這些都會對連接器的VSWR帶來不良影響。

審核編輯：湯梓紅