擴頻連接器及擴頻方法

1、擴頻連接器及擴頻方法一 引言隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和進步，尤其是隨著電子工業(yè)、通信和信息產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，越來越需要具有較高工作頻率的射頻連接器。這就對射頻連接器設(shè)計者提出了一個問題，能否在已有連接器的界面結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，通過改進結(jié)構(gòu)，不加大成本，實現(xiàn)頻帶的拓寬（擴頻）呢？國際電工委員會（IEC）于1980年發(fā)布施行的IEC169-17：外導(dǎo)體內(nèi)徑為6.5mm（0.265in）特性阻抗為50、螺紋連接的射頻同軸連接器（TNC型）。到了1993年，IEC又發(fā)布實施了IEC60169-26：特性阻抗為50、頻率范圍為018GHz、螺紋連接的射頻同軸連接器（TNC18GHz）；同樣，在美軍標MIL-STD-3

2、48A：1988 國防部界面標準 射頻連接器界面中，既給出了TNC系列插針和插孔接觸件連接器界面，又給出了TNCA系列插針和插孔接觸件空氣界面連接器界面。這兩種連接器均屬TNC型，接口尺寸兼容，兩者可互配連接，但工作頻率不同，從前者的可達11GHz擴展到后者的可達18GHz。IEC標準和MIL標準所給出的界面結(jié)構(gòu)尺寸基本相同。TNC18GHz（TNCA）相對原TNC型產(chǎn)品是怎樣實現(xiàn)擴頻的呢？還有，在目前各射頻連接器系列中，外導(dǎo)體內(nèi)徑為4.13mm（0.163in），特性阻抗力50、螺紋連接的SMA型連接器（IEC169-15：1979，MIL-C-39012/7983），其連接螺紋為：1/43

3、6UNS-2；繼而有IEC60169-23 1991 接3.5mm硬精密同軸線，外導(dǎo)體內(nèi)徑為3.5mm（0.1378in）的插針和插孔連接器。其連接螺紋也是1/4-36UNS-2，還有2.92mm和K型射頻同軸連接器，其連接螺紋也是1/4-36UNS-2。SMA、3.5mm、2.92mm和K型這些連接器，后者均可與SMA相互連接，接口兼容，但工作頻率不同。SMA型通常接半硬電纜時其頻率可達18GHz，3.5mm接精密同軸線時可達34GHz，2.92mm和K型連接器接半硬電纜通?？蛇_40GHz，也稱可用到46GHz，這就是說，接口與SMA兼容的3.5mm、2.92mm和K型連接器相對SMA來說，

4、均實現(xiàn)了擴頻。這些連接器是怎樣實現(xiàn)擴頻的呢？以上射頻連接器：TNC、SMA、3.5mm、2.92mm和K型連接器均為螺紋連接器，N型射頻連接器，也是螺紋連接器，且界面為空氣，該型連接器標準一般規(guī)定其工作頻率為11GHz，接半硬電纜時可達18GHz，它是怎樣實現(xiàn)擴頻的呢？本文將對以上這些問題進行分析討論。二 擴頻原理和擴頻方法對于任何射頻同軸連接器，其關(guān)鍵尺寸是外導(dǎo)體的內(nèi)徑，這個尺寸當與內(nèi)導(dǎo)體的直徑和絕緣介質(zhì)組合在一起時，就確定了該連接器的特性阻抗，以及它們的上限頻率或稱截止頻率（或稱可能的模變頻率）。當然，由于實際尺寸和結(jié)構(gòu)的原因，模變不可能自動產(chǎn)生，但它可能通過在連接器內(nèi)部的不良阻抗匹配而被

5、激勵，或者在不適當?shù)难b配或在測試接口應(yīng)用了質(zhì)量不好的轉(zhuǎn)接器和測試用電纜組件。射頻同軸連接器的上限頻率，通常由下式計算： （1）式中：fc表示連接器的上限頻率 Co電磁波在真空中的傳播速度 D外導(dǎo)體內(nèi)徑 d內(nèi)導(dǎo)體外徑 r絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)對于空氣介質(zhì)，其r近似為1，代入（1）式，則有： （2）由（1）式可見，連接器的上限頻率fc與、Co、D、d和r有關(guān)，式中Co通常認為是常數(shù)，也是常數(shù)，這樣連接器上限頻率的變化取決于D、d和r。即fc與（D+d）成反比。這就是說，當改變連接器的外導(dǎo)體內(nèi)徑D、內(nèi)導(dǎo)體外徑d和絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)r時，將影響連接器的上限頻率。使用fc增大有以下三種情況：a. r

6、不變，（D+d）減小時；b.（D+d）不變，r減小時；c.（D+d）和r同時減小時；對于空氣介質(zhì)，r=1，只有當（D+d）減小時。射頻連接器的特性阻抗由下式?jīng)Q定： (3)式中：Z0射頻連接器的特性阻抗D外導(dǎo)體內(nèi)徑d內(nèi)導(dǎo)體外徑r絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù) 對于空氣介質(zhì)： (4) （1）式與（3）式中D、d和r的含義完全相同，因此，（1）式中D、d和r的變化必須在符合（3）式要求的情況下變化。在特性阻抗Z0保持不變的情況下，為一常數(shù)，若縮小則r亦應(yīng)按比例縮小，空氣介質(zhì)時，D/d是一常數(shù)，若D縮小，則d必須按比例縮小。通常，增大fc是在Z0保持不變的情況下進行的。因此，使得fc增大的三種情況其中a種情況

7、應(yīng)理解為：D和d同向縮小，而保持不變，b種情況不適用，c種情況應(yīng)理解為D、d和r按比例同向減小時。由以上分析說明，射頻連接器的上限頻率是可以拓寬的，其擴頻的方法是：固體絕緣介質(zhì)，聚四氟乙烯（PTFE）的相對介電常數(shù)最小，IEC標準中通常按2.02計算。氣體是空氣的相對介電常數(shù)最小，近似為1，降低絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)，就是設(shè)法改變絕緣支撐的結(jié)構(gòu)與空氣混合，擴大空氣的占空比，達到降低相對介電常數(shù)的目的。三 改進TNC系列對于TNC型射頻同軸連接器，IEC60169-17：1980和MIL-C-39012/26、MIL-C-39012/28與IEC60169-26：1993和MIL-STD-348

8、A第313部分，均給出了插孔接觸件和插針接觸件連接器的界面。IEC標準與MIL標準的結(jié)構(gòu)尺寸基本相同。MIL-C-39012/26、MIL-C-39012/28和IEC60169-17的界面結(jié)構(gòu)如圖1所示，MIL-STD-348A第313部分和IEC60169-26的界面結(jié)構(gòu)如圖2所示，其插合的界面結(jié)構(gòu)分別如圖3和圖4所示。其相關(guān)尺寸列在表1中。圖1 IEC60169-17、MIL-C-39012/26與MIL-C-39012/28界面結(jié)構(gòu)圖2 IEC60169-26與MIL-STD-348A-313界面結(jié)構(gòu)圖3 IEC60169-17界面插合情況 圖4 IEC60169-26界面插合狀況表1

9、 圖1和圖2中結(jié)構(gòu)尺寸界面名稱abcdefuIEC60169-17TNC插針4.83min（8.18）7/16-28UNEF-2B1.321.375.335.84-插孔4.72max8.108.157/16-28UNEF-2A-4.785.288.318.51IEC60169-26TNC18GHzTNCA插針-7.988.087/16-28UNEF-2B1.321.375.285.38插孔4.124.728.108.157/16-28UNEF-2A-5.035.288.318.51從圖1、圖2的界面結(jié)構(gòu)和尺寸看：IEC60169-17和IEC60169-26兩標準規(guī)定的連接器的連接螺紋、插配深

10、度，插針插配直徑和插孔連接器的部分結(jié)構(gòu)尺寸完全相同，因而兩標準規(guī)定的連接器完全可以互配插合、相互兼容；兩標準規(guī)定的界面結(jié)構(gòu)主要區(qū)別在插針接觸件連接器。IEC60169-17標準規(guī)定的界面為一環(huán)狀固體介質(zhì)（PTFE），而IEC60169-26界面則為空氣介質(zhì)。從圖3和圖4看得更清楚：IEC60169-17的插合界面內(nèi)、外導(dǎo)體間基本上為實芯固體介質(zhì)（PTFE），而IEC60169-26的插合界面，內(nèi)、外導(dǎo)體間有一環(huán)狀空氣介質(zhì)。正因為該環(huán)狀空氣的存在，改變了它們的上限頻率。由圖3見，其上限頻率按公式（1）計算：式中：r =2.04 Co=3×1011mm/s則 =15.4765 GHz由圖

11、4 IEC60169-26的插合界面結(jié)構(gòu)（TNC18GHz、TNCA）看，其上限頻率為：這里的r應(yīng)為固體介質(zhì)（PTFE）和空氣組合的混合介質(zhì)的等效介電常數(shù)。（5）這里根據(jù)標準規(guī)定：r1為固體介質(zhì)，r1=2.04，r2=1。D2=D=6.056.15，D1 =4.624.72，d=2.242.34，取中值則：D2=6.10，D1 =4.70，d=2.30。 =1.594fc=17.9949（GHz）由以上計算分析可見：IEC60169-17給定的額定頻率上限為11GHz，而理論上的上限頻率在15GHz，IEC60169-26的理論上的上限頻率約為18GHz，可見TNC18GHz或TNCA型與原T

12、NC型相比，拓寬了頻帶。其擴頻方法是：在插針接觸件連接器的界面上采用空氣介質(zhì)。其實質(zhì)是降低了該段內(nèi)、外導(dǎo)體間絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)，實現(xiàn)了擴頻。四 拓展SMA家族SMA系列射頻同軸連接器，是由Bendix公司在50年代末期為配接半硬同軸電纜而設(shè)計的。它的界面空間用聚四氟乙烯介質(zhì)填充，結(jié)構(gòu)比較簡單。雖然許多工程技術(shù)人員常把SMA與頻率可達18GHz聯(lián)系起來，但是當人們應(yīng)用軟電纜時，電纜組件常常僅能達到12.4GHz，當應(yīng)用半硬電纜時，才標定到18GHz，雖然連接器實際上具有24GHz的上限頻率，但在最佳情況下，潛在的模變可能發(fā)生。SMA型連接器，當初設(shè)計時，并沒有打算長久使用，更沒有作為一個精密

13、連接器來考慮，因此，它是一個普通系統(tǒng)用的連接器，在當時情況下，由于它的體積小，能在較高頻率下工作，很快得到了普及，可是由于它的先天性不足，也為后來發(fā)展小型射頻連接器帶來了一些影響。SMA型連接接器存在的主要問題是精度不高，不適合測試設(shè)備的需要；其次是外導(dǎo)體的壁比較薄，內(nèi)導(dǎo)體插孔又是兩槽結(jié)構(gòu)，使用中非常容易被磨損和損壞，因而可靠性差；再者是使用頻率不高，不能適應(yīng)工作頻率達40GHz以上系統(tǒng)的要求。由于SMA存在這些不足，并具有潛在的寬帶結(jié)構(gòu)。為克服其缺陷，滿足寬頻帶需要的測試用需要，一些制造廠商在SMA原有的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)上，開發(fā)了一批能與SMA兼容的連接器。主要型號有：3.5mm、APC3.5、WS

14、MA以及2.92mm、K型。這些連接器克服了SMA的局限性。典型的結(jié)構(gòu)為3.5mm、2.92mm和K型。圖5、圖6分別是SMA型和3.5mm、2.92mm、K型連接器的界面結(jié)構(gòu)圖。圖5 SMA型連接器界面結(jié)構(gòu)圖6 3.5mm、2.9mm和K型連接器界面結(jié)構(gòu) 從以上界面結(jié)構(gòu)尺寸可以看出，SMA與3.5mm、2.92mm和K型連接器比較，其相同點是：a.連接螺紋相同，均為1/4-36UNS-2，均為螺紋連接結(jié)構(gòu)；b.插頭部分外導(dǎo)體外徑基本相同，最大為4.59，小于插座端口直徑b=4.60。c.內(nèi)導(dǎo)體插針接觸件直徑基本相同。d.插座接口尺寸b基本相同。e.插座接口深度均為1.881.98。由這些相同

15、點可知，這些射頻連接器可以互相插配，相互機械兼容。這些連接器的主要區(qū)別是：a.界面結(jié)構(gòu)所用介質(zhì)不同，SMA為固體絕緣介質(zhì)聚四氟乙烯（PTFE），而3.5mm、2.92mm和K型均為空氣介質(zhì)。b.外導(dǎo)體內(nèi)徑不同，因而上限頻率亦不同，如表3。通過分析對比，可以得出，3.5mm、2.92mm和K型連接器均與SMA兼容，可以相互插配。3.5mm、2.92mm和K型連接器為SMA的擴頻產(chǎn)品。其擴頻方法是，改變界面絕緣介質(zhì)，由充滿聚四氟乙烯改為空氣介質(zhì)，實質(zhì)是降低絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)由2.02降為1；其次是縮小外導(dǎo)體內(nèi)徑。當外導(dǎo)體內(nèi)徑縮小后，帶來的不利因素是其內(nèi)外導(dǎo)體之間的間隔變小，使得耐壓強度降低，從

16、而傳輸功率也相應(yīng)降低，但駐波性能不會受影響。五 N型的擴頻問題在MIL-C-39012/15標準和我國行軍標SJ50681/15中對配接軟電纜時，其額定頻率均為011GHz，而在MIL-C-39012/129132和我國行軍標SJ50681/7275中，對配接半硬電纜時，其額定頻率均為018GHz，奇怪的是，兩者除配接電纜有軟硬之別外，不能分辨出N型射頻連接器在11GHz和18GHz時，在陰性和陽性界面之間的差別。對于N型射頻同軸連接器，IEC60169-16標準規(guī)定，特性阻抗為50的N型連接器有三種型式，各型式之間可以互相插合。通用連接器（2級）在最高頻率高達12GHz范圍應(yīng)用時，最好與60

17、096-IEC50-7型射頻電纜配用；高性能連接器（1級）其界面尺寸的公差介于0級和2級的尺寸公差之間，可以用至最高頻率達18GHz，標準試驗連接器（O級），具有一種嚴格控制的界面，使用最高頻率達18GHz，并給出了通用連接器和標準試驗連接器的界面和尺寸。從2級和0級界面結(jié)構(gòu)和尺寸看來，其界面結(jié)構(gòu)基本相同，表明可以互相插配，其主要區(qū)別是：a.尺寸公差寬嚴不同，2級寬，0級嚴。b.形位公差要求不同，2級基本無要求，0級對垂直度、同軸度均有嚴格要求。c.絕緣支撐的軸向位置要求不同，2級無尺寸標示，0級有明確定位尺寸，即插頭與插座插合時，兩絕緣支撐之間的距離最小時（10+4.47=14.47）大于兩

18、倍的外導(dǎo)體內(nèi)徑（2×7=14）。從上限頻率公式（1）和（2）看，固體介質(zhì)充滿界面和空氣介質(zhì)界面，其上限頻率的關(guān)系為： 即表示，固體介質(zhì)充滿界面的上限頻率小于空氣介質(zhì)界面的上限頻率?？諝馑伎臻g越大，其上限頻率越接近fc空，當完全為空氣時，上限頻率最大為fc空。從2級和0級N型連接器界面結(jié)構(gòu)看，雖都為空氣介質(zhì)，但空氣所占空間不同，即絕緣支撐在界面結(jié)構(gòu)的軸向位置不同。這就告訴我們，界面結(jié)構(gòu)中，空氣占空比越大，兩絕緣支撐間距離越大，支撐在滿足機械性能條件下越薄，則認為頻帶就越寬。由此可見，N型射頻連接器的擴頻問題，關(guān)鍵在于對其絕緣支撐的軸向位置和其結(jié)構(gòu)的設(shè)計。六 結(jié)束語通過以上對TNC、SMA和N型射頻連接器擴頻連接器和擴頻方法的討論，我們可以得到以下幾點啟示：a.TNC、SMA和N型射頻連接器，通過一定的擴頻方法，是可以進行擴頻的，并可達到滿意的效果。b.對于其它型號的射頻連接器，應(yīng)具體產(chǎn)品具體分析，若既具有潛在的寬頻結(jié)構(gòu)，又客觀需要，通過一定的擴頻措施，一般來講是可以達到擴頻目的的。c.對于擴頻連接器，其接口機械兼容，可以互相插配。當混合使用時，電氣性能不一定都如擴