----宋停云與您分享--------宋停云與您分享----降低射頻連接器電壓駐波比的研究一、引言

射頻連接器是無線電電子設備和儀表中必不行少甚至是關鍵的電子元件。電壓駐波比是射頻連接器的一項極重要的電氣參數(shù)。

隨著科學技術的進步，對射頻連接器電壓駐波比提出了越來越高的要求。很多連接器專家為此竭盡努力，取得了顯著的進展。到了七十年月中后期，射頻連接器的進展在國際上達到鼎盛時期，其主要標志是相繼研制出21mm、14mm、7mm和3.5mm精密同軸連接器和各種精密轉(zhuǎn)接器，工程用射頻連接器的電壓駐波比性能也有顯著提高，掃頻測量取代了點頻測量，并且消失了時域測量技術。在國內(nèi)，隨著微波通信技術和測量方法的進步，分米波電視的進展，對連接器電壓駐波比的要求也越來越高，如要求研制工作在0～18GHz駐波比小于1.30的SMA連接器、0～18GHz駐波比小于1.40的連接器電纜組件、0～1GHz駐波比小于1.05的分米波連接器以及駐波比小于1.02的各種精密轉(zhuǎn)接器。研制工作到40GHz駐波比小于1.50的毫米波連接器也提到議事日程上，本討論的目的在于為研制寬頻帶低駐波比射頻連接器供應設計依據(jù)。

二、影響射頻連接器駐波比的主要因素

反射系數(shù)主要與傳輸線的阻抗勻稱性有關。簡潔地說，在連接器內(nèi)，凡阻抗偏離標稱特性阻抗值的地方，都會引起反射。

射頻連接器實質(zhì)上是一段帶有連接機構、電纜夾緊裝置和其他裝置的非勻稱同軸線。以直式連接器為例，與勻稱同軸線相比，它有三處明顯的不勻稱：絕緣支撐區(qū)域、導體尺寸過渡區(qū)域和連接器到電纜的結合部。在這些地方，都存在著導體直徑尺寸或?qū)w外形的變化，因而消失了不連續(xù)電容，引起反射。還有一些引起反射的其他因素，例如導體連接間隙、導體直徑尺寸偏差、內(nèi)外導體偏心率、接觸件上的槽縫、介質(zhì)介電常數(shù)偏差和導體表面粗糙度等等。但上述三處卻是連接器內(nèi)部的三大反射源，只要把它們引起的反射降低到可以容許的程度，其他的就不難解決了。

三、降低射頻連接器駐波比的途徑

1.最佳絕緣支撐的設計

射頻連接器幾乎都有絕緣支撐，支撐的結構型式許多，最普遍采納的有如圖1所示的兩種。由于支撐的介入，勢必發(fā)生導體直徑尺寸的階梯突變，破壞了傳輸線的勻稱性。從理論分析可知[1]，同軸線導體直徑尺寸的突變，等效于在突變截面上并聯(lián)一個不連續(xù)電容，這個電容可按參考資料[2]供應的公式精確計算。為消退不連續(xù)電容引起的反射，必需實行補償措施，其方法有兩種：一種是高抗補償（圖1a），另一種是共面補償（圖1b）。

（a）

（b）

圖1

如何計算如圖1所示的導體直徑同時反向突變引起的不連續(xù)電容呢？國外資料曾經(jīng)報道過兩種不同的計算方法。第一種方法認為總不連續(xù)電容等于內(nèi)外導體突變的兩種最壞組合所形成的單臺階不連續(xù)電容之和[3]，即

（1）

其次種方法假定，在導體突變區(qū)域的內(nèi)外導體之間存在著一個抱負等位圓柱面，其直徑可按下式計算[4]：

（2）

總不連續(xù)電容等于由這個等位圓柱面和突變內(nèi)外導體分別組成的兩個單臺階突變所形成的不連續(xù)電容的串聯(lián)，即

（3）

兩種計算方法得出截然不同的結果。圖2是以L27型連接器絕緣子為例計算出的曲線?？梢钥闯觯谝环N結果表明總不連續(xù)電容隨外導體外削深度百分比而變化（曲線1）。當外導體外削深度為完全外削（內(nèi)導體無內(nèi)削）深度的20%左右時，總不連續(xù)電容最小。而其次種結果卻表明總不連續(xù)電容幾乎與外導體外削深度無關（曲線2）。

依據(jù)自己的討論和試驗，我們認為后一種計算方法比較合乎實際，與試驗結果頗接近。按此方法設計出的連接器大多能獲得滿足的結果，由此看來，設計絕緣支撐時，未必要遵循外導體外削深度應掌握在完全外削深度的20%左右的原則。

圖2

可以用提高介質(zhì)區(qū)域特性阻抗即增大電感的方法來補償不連續(xù)電容。這種方法稱高抗

補償。介質(zhì)區(qū)域的最佳阻抗值可按下式確定[5]：

（4）

式中=2f0，f0是設計中心頻率，=，是介質(zhì)相對介電常數(shù)，0是真空波長，是絕緣子寬度。Z1值可用逐次靠近法求得。明顯，當工作頻率偏離f0時，補償是不充分或過量的，因而將有殘余反射。僅當頻帶不寬或駐波比要求不很苛刻時才采納高抗補償方法。

為了獲得寬頻帶低駐波比性能，應當采納圖1b所示的共面補償絕緣子。共面補償方法是使介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的阻抗等于標稱特性阻抗，通過去除介質(zhì)端面的部分介質(zhì)以提高電感來就地補償不連續(xù)電容。介質(zhì)凹槽深度可按下式計算：

（5）

式中是介質(zhì)凹槽區(qū)域的等效介電常數(shù)。必需指出，在計算總不連續(xù)電容時，必需考慮接近效應的影響和頻率的變化而加以修正。

2.導體直徑尺寸過渡段的最佳設計

在轉(zhuǎn)接器或電纜連接器中，由于接口尺寸的差別，也不行避開地存在著導體截面尺寸由小變大或由大變小的過渡。為了把過渡段不連續(xù)電容引起的反射減至最小，通常有三種過渡方式：直角過渡、錐形過渡和拋物線過渡。后兩種過渡方式由于加工簡單，精度難以保證而越來越少被采納。相反，由于加工便利，精度簡單掌握，在現(xiàn)行的連接器（包括精密型）中幾乎都采納如圖3所示的直角過渡型式。這種過渡的原理是通過錯開內(nèi)外導體直徑突變的截面提高電感，補償電容，使電路呈中性。這也是高抗補償。

圖3

錯開距離a的數(shù)值如何精確計算？目前尚未查到嚴格推導的理論計算公式。人們普遍采納下列的閱歷公式：

（6）

K=3.09（對于50空氣線）或3.04（對于75空氣線）。當時，

（7）

對于各種不同的過渡尺寸，K=3.09是否都是最佳值？適用頻率范圍達多少？這是本討論的又一重要內(nèi)容。利用高精度駐波電橋和精密終端負載，取D=7，轉(zhuǎn)變D1和a，對五種不同過渡比的轉(zhuǎn)接器進行駐波比測試。盡管試驗是初步的，但其結果頗能說明問題：

（1）取K=3.09，在FD1＜4GHzcm的范圍內(nèi)，駐波比可小于1.05。這個經(jīng)典結論無疑是正確的。

（2）對于不同的過渡比，K=3.09只是折衷值，未必都是最優(yōu)值。K即a的數(shù)值對駐波比影響是極為敏感的。

（3）當K的數(shù)值最優(yōu)時，對于同一給定的駐波比界限，可使工作頻率范圍大大拓寬，遠遠超過4GHzcm。

因此，必需通過細心試驗找出K的最優(yōu)值并對過渡尺寸a嚴格掌握，才能試制出寬頻帶低駐波比的連接器或轉(zhuǎn)接器。

3.連接器與電纜結合部的設計考慮

在連接器與電纜的結合部，通常也存在著導體直徑尺寸突變的狀況。此外，對于配接廣播電視系統(tǒng)和微波工程中廣泛使用的皺紋管電纜的連接器來說，還存在著導體外形的變化問題，即由光滑導體變?yōu)槁菪驁A環(huán)皺紋管狀導體。這是這類連接器的特別問題。如何計算皺紋管導體的有效直徑？通常有兩種算法，一種取算術平均值，另一種取幾何平均值。哪一種精確?????？本討論為此進行了一些試驗，結果表明，電纜皺紋管內(nèi)導體的等效外徑比其算術平均值大5～7%，而皺紋管外導體的等效內(nèi)徑比其算術平均值小2～3%。

為了獲得最佳的駐波比性能，應使連接器和電纜的導體直徑尺寸盡量接近。對于不行避開的導體直徑突變，可按前述方法賜予補償。傳輸線導體外形由光滑變成皺紋時會不會引起附加的不連續(xù)電容？這個問題有待進一步討論。

4.內(nèi)導體連接間隙的掌握

在射頻連接器轉(zhuǎn)接器中，導體的連接間隙是無法削除的。為不損壞連接器，降低成本，通常的設計是保證外導體連接間隙為0，允許內(nèi)導體上存在一個連接間隙。這個間隙會引起附加反射，其容許值取決于駐波比性能要求。

理論分析計算和試驗結果表明[6]，對于L16型同軸連接器，0.5mm的內(nèi)導體連接間隙在10GHz時可能引起1.09的駐波比，在17GHz時可能引起1.15的駐波比。這是不容忽視的數(shù)值?？梢姙榱嗽?0GHz以上獲得低駐波比性能，必需嚴格掌握連接器或轉(zhuǎn)接器的內(nèi)外導體軸向尺寸公差。

5.導體尺寸公差和介電常數(shù)偏差的影響

導體尺寸公差和介質(zhì)相對介電常數(shù)的偏差都會引起連接器特性阻抗偏差。對于50空氣線：

（8）

對于50的介質(zhì)線，

（9）

以IF45型分米波連接器為例，設內(nèi)導體尺寸公差為0.05，外導體尺寸公差為0.1，△=0.1，則空氣段的阻抗偏差為0.65，介質(zhì)段的阻抗偏差為1.66，由此引起的電壓駐波比分別為1.013和1.033?？梢?，為了獲得低駐波比，必需適當掌握導體尺寸公差精度，尤其要留意介質(zhì)相對介電常數(shù)的設計值與實際值的良好吻合。

四、設計寬頻帶低駐波比連接器的基本原則

設計寬頻帶低駐波比連接器必需遵循以下三個基本原則[3]：

1.不要企求用提高或降低一段傳輸線的特性阻抗來補償導體直徑突變、導體槽縫或間隙等引起的不連續(xù)電容。為了獲得最佳的寬帶性能，通常應使連接器的每一長度單元上盡可能保持全都的特性阻抗。

2.應首先使未被補償?shù)牟贿B續(xù)電容減至最小，然后，對于每一個不行避開的不連續(xù)電容實行單獨的共面或高抗補償，并通過分別試驗力求獲得最佳效果。

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