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连接器技术

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选择射频连接器,应考虑哪些因素

     有许多因素决定了连接器系列和样式,其中配接电缆和使用频率范围是主要的因素。在工程实践中,使连接器直径大小和电缆直径尽可能相近,以最大限度地减少反射。电缆直径和连接器直径之间的区别越大,性能越差。反射通常作为频率的函数增加,而一般较小的连接器在较高的频率段,性能通常很好。 对于非常高的频率(26GHz以上),则需要精密的空气介质连接器。


    频率范围决定了使用连接器的系列。在我们的网站上,可以查阅各种各样的连接器系列和他们标准的使用频率范围。通常在较低的频率(6 GHz之下),使用推入锁紧式或者刺刀卡锁式连接器。螺纹锁紧式连接通常在高性能,低噪音的环境应用。

    通常电缆的规格确定了连接器的阻抗。 50和75欧姆是使用最多的两种标准阻抗,而许多连接器系列具有50欧姆和75欧姆两款阻抗。普通电缆和他们的特性见我司网站。有时在频率500 MHz以下,50欧姆连接器能使用在75欧姆电缆上(反之亦可) 并且性能可接受。这样做的原因是一般地50欧姆连接器便宜,且他们使用广泛。

     除了使电缆和连接器在尺寸上尽可能匹配以最大限度地减少误差,连接器的界面和绝缘体材料也是重要的考虑因素。线性对接和空气连接的界面(如SMA和N型界面)能提供高频低反射性能,而重叠的电介质界面(如BNC和SMB)的频率及反射性能通常有所局限。通常反映连接器性能的图表是反射系数表。这是一种描述信号从连接器被反映回来多少的测量方法。 它能用反射系数、电压驻波比(VSWR)和回波损耗来表示.

     基于美国通信委员会(FCC,Federal Communications Commission)第15章关于无线电设备非标准界面的扩展要求,许多设计者选用常有标准的连接器接口(如BNC,TNC),但将其极性反转,有时采用反向螺纹介面。

     在某些特殊应用上,功率和电压要求也是确定连接器使用的一个因素。 大功率应用将要求使用大直径连接器(例如7-16 DIN和HN型)。 一般传输功率决定于电缆的传输功率,通常根据经验来确定。电压击穿等级决定于峰值电压。 功率传输能力随频率和海拔高度递减。

电压驻波比(VSWR)及其确定

     VSWR (Voltage Standing Wave Ratio)是计量信号从连接器返回量的量度标准。 它是一个矢量单位包括振幅和相位分量。认识这一点是非常重要的,特别是当我们在考量传输线上多个连接器的复合影响时。阻抗不匹配会导致反射, 如果所使用的电缆是50欧姆的阻抗,那么连接器也必须保持50欧姆阻抗。从电缆到连接器传输线上的尺寸变换,连接器内的绝缘体介质串动和导体的接触损耗是导致非匹配的主要因素。 通常确定连接器的VSWR有二种方法,第一种方法是在整个频带内采用“平坦直线限定”法, 例如,对于配接柔性电缆的直型BNC插头,VSWR规定到4 GHz的最大值为1.3:1(通常则写为最大1.3 )。第二种方法是考虑到VSWR在实际情况下是典型的频率直接的函数 ,配接RG-142 B/U电缆的直型SMA插头,VSWR可以描述为:VSWR=1.15 +0 .01* F ( GHz ) 到12.4 GHz 最大频率。 例如,在2 Ghz时,容许最大限度的VSWR将是1.15+2*.01或者最大1.17 。 在12.4 Ghz时它将是1.15+12.4*.01或者最大1.274 。 自然地,这些值能被转换为回波损耗或者反射系数。

插入损耗及其确定

插入损耗ρ,定义为: ρ=10*log ( Po/Pi ),单位dB

             Po----输出功率(Power output)

             Pi----输入功率(Power input)

     产生插入损耗的三种主要原因: 反射损耗,介质损耗和导体损耗。 反射损耗指那些因为驻波而产生连接器的损耗。 介质损耗指能量在介质材料(Teflon, rexolite, delrin等)中传播的损耗。导体损耗指能量在连接器导体表面传导而造成的损耗,它与材料选择和电镀的使用相关。通常,连接器插入损耗从几个百分之一dB到几个十分之一dB。同VSWR的指定方法一样, 可以指定为“平坦直线限定”或者指定为频率的函数。同VSWR的例子一样,对于配接柔性电缆的直型BNC插头,在最大3 Ghz测试条件下,BNC可以指定为最大0.2 dB。

     对于SMA,在6 Ghz测试条件下,可以指定插入损耗ρ=0.06*(f--GHz)dB。例如,在4 Ghz时,插入损耗最大为0.06*2或者0.12 dB。 虽然连接器可以在很宽的频率范围内使用,但通常仅仅在指定的特定频率下测试, 因为对非常小的损耗进行精确测量是一个精确的, 耗时的过程。在MIL PRF-39012中定义了这个测试过程。

如何确定电缆组件的性能

     电缆组件有两种受关注的特征性能:电压驻波比VSWR (或者回波损耗)和插入损耗。除了使用极低损失电缆的最短电缆组件(少于6英寸),所有插入损耗主要都是因为电缆本身的衰减原因, 一般可从厂商资料中确定。如何确认RF连接器符合驻波要求另一方面,VSWR主要是由于连接器的原因。 记住VSWR是一矢量数量,当频率扫描时,每个连接器的VSWR将会随相移的波动而上下跳动。在何处出现这些最大值和最小值将依赖于电缆的长度和其介质常数。 一般说来,计算出的最大驻波由每一末端连接器的反射系数来确定。最坏的情况是2个反映系数相加。 虽然很小,线缆的返回损耗也是VSWR的一部份。如果忽略电缆的损耗, VSWR将减少。 对于这个例子,我们将忽略电缆的衰减而不作为一个影响因素。例如,我们说一个连接器的在某频率下VSWR为1.2,而另一个连接器是1.25, 电缆VSWR是1.05,把VSWR转换成为反射系数分别为0.091,0.111和0.024,最大反射系数=0.226。 转换回VSWR则为1.584。 一种迅速得到结果的方法是乘以这3种的VSWR值, 在这种情况下,它将为1.2*1.25*1.05=1.575。 这非常接近于以前的计算结果. 对于回波损耗,VSWR能被转变成为dB。如果每个连接器的回波损耗是不同的或者如果电缆回波损耗是不可忽略的,那么每种回波损失将不得不被转换成为反射系数被增加然后再被转换回回波损耗。认识到连接器和电缆的VSWR是成矢量地叠加非常重要,并且电缆组件的VSWR比每一单独元件的VSWR要高。

如何确认RF连接器符合驻波要求

     在RF设计和研发阶段期间有两个步骤, 一旦完成3 D机械制图,第一个步骤RF设计过程是使用高频率结构模拟软件( HFSS )模拟连接器。这是一个允许我们通过连接器的3 D结构模拟其RF性能的计算机程序。对于HFSS分析, 这种软件没有频率限制并且可以让我们观测连接器或者任何其它微波设备的VSWR (回波损耗)和插入损耗。 此外,它有能力执行时域分析 ( TDR )。 TDR是允许我们看到反射作为距离的函数的一种技术。这使我们能看见连接器内部并且准确地确定不连续性产生的地方。 对于TDR分析, 可以进行纠正,且能执行一种新的分析。 此外,HFSS软件有一种“优化”模块允许我们在连接器内部自动地变化尺寸从而得到最佳的VSWR。 这种过程大大地减少工程设计周期时间。在完成模拟及确定连接器原型之后,将会在网络分析仪上测试,它是测量连接器或者电缆组件的S参数( VSWR和插入损失)的一种测试设备。 仿真和实际的试验数据之间的区别可以被评估出来。 简言之,模拟数据使得VSWR有足够的空间进行优化, 即使制造及组装有变化的差异,但能满足客户的要求。

导致模拟和实际试验数据之间差别的原因:

     1.测试中的实际界面与模拟界面不同

     2.电缆的电介质常量和尺寸是不固定的,且电缆是在理想状态下被模拟的。

     3.用作绝缘体的不同材料的介质常量 (如:迭尔林(聚甲醛树酯),lcp )不是很明了。

     4.不能得知所有类型的连接器的校准工具, 因此通常用截取来获得数据。

     5.小的空气空间通常不被模拟, 因为这会大大地增加模拟的复杂性. 它们常用介质来充塞.

     6.实际的组装设备能导致组成部分压缩(如:press fits),这可能导致零件的径向及相关联的位置不同于模型。

     7.一般地,不模拟半径小的零件, 而用倒角或完全清除来代替.

     8.连接器通过用虚无标注的尺度来模拟。 实际的零件尺寸有公差。

     9.适应频率是一种单频率,通常大约是上限频率的80%,但是分析结果是:通常被扩展到比较宽的频率范围。

     10.压接能以一种极其可变的方式使电缆变形,通常不模拟.

连接器的无源互调影响因素以及怎么设计低交调的RF连接器

     在我们2002年5月发行的速联RF连接资讯里,介绍了被动互调失真。在这节里,我将谈论被动互调失真在连接器和线缆组件中的成因及在你的系统中怎么克服它。依照早期的观点来看,在被动电路里,PIM是由非线性造成的,在连接器和线缆组件中引起非线性运行的主要原因是由下面中的任何一个而引起接触不良的连接点:

     一.接点压力不足

     二.不规则的接触面

     三.氧化反应导致连接点被氧化

     四.连接干扰

     五.腐蚀

     另外,铁磁物质如镍和钢及污染物等都会造成这个问题。

     在速联,我们性能最好的连接器采用了焊接式中心针以及尽可能使用一体式的外导体连接。另外,我们有一条N和7/16系列无须浇铸就能抗风,振动,和热压干扰的连接器生产线。接触力和设计的其他方面足够的耐压以防止PIM. 中心导体镀银或金,连接器的主体镀银或白青铜。连接器和线缆组件须在无尘的环境中生产并由非常专业的,知道PIM成因及其影响的人士组装。所有的组件都须检测以确保其符合通行的规格。

回波损耗与电压驻波比的区别

     这个问题论及电压驻波比和回波损耗, 都是相同参数的一种测量方法,也就是连接器反射的信号数量,是影响连接器总信号效率的一个重要因素。

     回波损耗是由于线缆上间断性功率反射而造成的损失的信号的一部分。回波损耗类似与电压驻波比,在无线电行业中一般比较倾向于电压驻波比。因为它是一种对数测量,当表示很小的反射时是非常有用的。

     VSWR是Voltage Standing Wave Ratio首个字母的缩写,电压驻波比是一个适用于反射电压的电压比率。电压驻波比类似于回波损失,在连接器行业中,一般比较倾向于回波损耗,因为它是一次线性测量,在对数测量中很小的误差是在所难免的,所以在表示较大的反射时电压驻波比是很有用的。

平均功率与最大功率的区别

连接器功率的大小能够决定系统长期(短期)的可靠性。使用不能充分发挥其功率的连接器将会引起严重的问题从而导致系统的失败。平均功率和最大功率必须被考虑到。 平均功率是连接器/线缆在稳定状态条件下,与相连接的负载终断时,将产生的一个最大安全中心导体温度. 安全的中心温度是不会熔化介质的。在考虑平均功率时,下面的几点应当注意:平均功率与频率成反比例,因此平均功率必须降低。平均功率与额定功率是相等的@ 1 兆赫/? (频率用兆赫) 连接器的额定功率比与它相接的线缆的额定功率要高。连接器有金属外壳但线缆有塑料皮包着。连接器可以附有有助于散热的防水壁。连接器内由于存在空气,通常每单位长度有较低的衰减. 连接器的电压等级制约了其最大功率,并由 PK= V2/Z这个式子决定,其中V表示最大电压等级Z表示特定的阻抗。考虑最大功率时应当注意下面几点: A,最大功率的工作周期一般都很短,但你应该通过计算最高脉冲的平均功率来确定它是符合规格的。 B,最大功率不是一个频率函数 C最大功率是电压驻波比和调制电路的反函数, 必须要降低。 D最大功率和平均功率是高度函数, 必须要降低. E最大额定功率一般小于连接器或线缆组件的合成.

如何确保PCB连接器适用于自我的设计

     当设计表面安装或PC类型的连接器时,连接器生产商通常不知道在什么样的环境下着手设计连接器。设计成同轴设备的连接器,使用HFSS来优化其性能. 然而,根据印刷电路板的类型及其参量,在运做时,不同的补偿配置是必要的。因为在运做时产生了一个间断性,可能严重使体系性能降低.

     在速联,我们用ANSOFT HFSS在客户的PCB板上仿制了一个连接器。

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