射頻同軸連接器通常被認為是裝接在電纜上或安裝在儀器上的一種元件，作為傳輸線電氣連接或分離的元件,它屬于機電一體化產品。簡單的講它主要起橋梁作用。實質上是一段帶有連接結構的非均勻同軸連接線體。說它不均勻是由不可避免的臺階結構形成的,這些結構必須保證內、外導體相對位置的固定與同軸電纜內外導體的連接以及與異性連接器內外導體的連接。連接要可靠,接觸電阻要小,使得不連續性電容最小,無信號泄漏。有些連接器還要考慮防水、防塵結構。一般來講,內部結構設計得越復雜,過渡臺階越多,電性能傳輸越不好。所以連接器內部結構只要滿足必須的支撐,結構以簡單為好。下面就連接器設計談三點體會。

一、 連接器與所連接電纜的特性阻抗必須一致

常用同軸電纜特性阻抗有兩種：50Ω 和75Ω。各種同軸電纜其特性阻抗都有公差范圍,一般來講,50Ω 軟性電纜公差為±2Ω,75Ω 軟性電纜公差為±3Ω,而 50Ω半硬性電纜的特性阻抗公差在±1.5Ω以內。

同軸連接器的特性阻抗(空氣介質時)為：

（1）

式中Z0為連接器的特性阻抗；D為外導體內徑；d為內導體外徑；ε0為空氣介電常數。

在室溫和標準氣壓下,干燥空氣的相對介電常 數ε0=1.000536,一般情況下計算 Z 0時,都把ε0值 近似取為1。則50Ω 連接器的 D/d 值為：

（2）

為了支撐和固定中心導體與外導體的相對位置,內外導體之間必須設計有介質支撐,目前介質支撐材料有：聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯。因為介質支撐的重量對電性能影響極大,這就要求介質支撐材料的密度一致性要好,一般情況下, 用棒材車制的比壓鑄介質支撐密度一致性好。為了保證連接器內支撐段和空氣段特性阻抗一致,即同軸線每個截面的特性阻抗和所接電纜特性阻抗一致。在介質支撐段中：

（3）

式中εr 為介質支撐的介電常數,則50Ω 連接器以聚四氟乙烯為介質時計算得 D/d 比值近似為3.29。

（4）

二、介質支撐的設計與共面補償

第一部分設計時確定了連接器內部特性阻抗的 計算和阻抗匹配問題,從而大致就定下了結構尺寸, 然而由于介質支撐的出現,支撐的εr 和空氣ε0的差 別,要保證每個截面特性阻抗相同,必然內、外導體 在結構上要設計成臺階狀。常見形式有以下幾種：

圖1 介質支撐常見形式

從以上幾種形式看出,在放介質支撐的地方, 內、外導體形成了槽,幾何形狀上出現了階梯,正因為這些階梯,必然引入了不連續電容。圖2表示了圖1中a 、b 、c 不同方案下的不連續電容

圖2 不同方案下的不連接電容

各種具體加工的方案引起的不連續電容數值是 不一樣的,采用恰當的內、外導體槽深度組合能使不 連續電容減至最小。圖2表示出4F R 支撐端面不 連續電容與外導體槽深比例的關系曲線。設：外導 體內徑標稱尺寸是 Φ7,內導體外徑標稱尺寸為 Φ3, 并使支撐處截面特性阻抗為50Ω。當內導體上不切 槽(圖1中c),只在外導體內徑上切槽,令其狀態槽 為h 0,則圖2中曲線表明外導體槽深h 是h 0的25% 左右,而內導體槽深度在保證其截面特性阻抗為 50Ω 前提下可計算出來。這種內、外導體深度組合, 總階梯電容最小(如圖2),結構見圖3。

圖3 總階梯電容最小的結構

盡管在結構設計時對內、外導體支撐處進行槽深恰當組合使得不連續電容最小化,但還是存在少量不連續電容,為達到極寬頻帶內剩余反射很小,要對少量不連續電容作共面補償。共面補償就是在出現不連續的面上引進補償,如圖4所示。

圖4 共面補償結構

它是在圖 3的基礎上進行了改進,即在介質支撐與空氣交界 的端面上將介質挖去一部分(構成圓環凹槽),形成 小電感來補償階梯不連續電容。至于圓環凹槽挖去多少,補償階梯不 連續電容最佳,主要根據介質支撐與外導體配合松緊程度、擠壓量是多少,使支撐重量保持在理論計算值為準,這就需要設計師的經驗。現在可以借助高頻仿真軟件(HFSS)計算校準設計的正確性，而且可以修改,不斷完善,直至最佳狀態。圖5是對圖1-c , 圖3,圖4的結構形式進行仿真計算驗證 VS WR 設計效果(條件：特性阻抗50Ω,εr =2.03)。從圖5仿真驗算結果可清楚看出,(c)種方案最好,頻率在10G Hz 時 VS WR未超過 1.01,說明對不連續性電容補償是有效果的。

(a)按圖1-c設計的同軸線

（b）按圖3設計的同軸線（h/h0=0.25）

（c）按圖3設計的同軸線（h/h0=0.25）

圖5 VSWR與f的關系曲線

三、連接器內、外導體大尺寸向小尺寸過渡問題?

內、外導體大尺寸向小尺寸過渡的結構形式在 連接器設計中經常出現,導體的截面突變處引起階 梯電容產生反射很大,所以必須進行補償。 (1)錐體過渡補償方法(見圖6) 這種過渡方法,斜角α越小,過渡段越長,加工越 困難,浪費原材料,而且裝配時軸向尺寸也不易控制。 從電性能上看,這種方法補償頻帶很窄,現在普 遍不采用。只有在 D/D＇ >5.48情況下采用(見圖7),

圖6 錐體過度補償辦法

例如在7/16型轉 2.9 型,7/16 型轉 2.4 型的轉接器中才出現這種情況。這類轉接器,由于7/16型使用頻率比較低(如1G Hz ～4G Hz),所以將錐體過渡改為直角臺階軸向錯位(圖7b),電性能(VS WR)也近似相同。

圖7 D/D＇=5.48錐體過渡與臺階過渡 VS WR 曲線

通過比較,圖7(b)略好一些。?

(2)臺階式過渡軸向錯位(見圖8)?

有關實驗表明,當 D/D＇<3時通常采用臺階式軸向錯位 Δ 的方式來補償階梯電容,效果比較明顯。?

（5)

圖8? 臺階式過渡軸向錯位

為了驗證上述結論,取出 N 型轉 S M A 型的臺階過 渡處一段圖,進行仿真計算,再對尺寸修正完善,得 到圖9所示驗證結果。

圖9? N 型轉 SMA 型的臺階過渡仿真結果

從圖9 看出,當 Δ<3 時采用臺階軸向錯位過渡,對階梯電容補償效果比較好。當然在尺寸上、介質選擇上還可以進一步改進。所以在設計連接器支撐時,支撐處不但要重點考慮反射和不連續電容補償問題,而且還要考慮支撐的重量以及支撐與內、外導體的配合間隙問題。因為這兩個因素對電性能影響很大,必須要求支撐重量恒定,與金屬配合無間隙。

總結

射頻同軸連接器在微波段傳輸線中相當于一段 非均勻的同軸線形的“橋梁”,要求該“橋”使信號無損耗地通過。但是絕對無損耗是做不到的,必須精 心設計,還要精心制造,設計時對主要的四處反射源 (口部接插連接部位、介質支撐部位、導體臺階部位 及接電纜部位)要進行精確的計算和補償。另外,對絕緣支撐介質均勻性、重量都有很嚴格 的要求,必要時要采用適當的擴頻方法來改善電性能。在有條件的情況下,設計時可借助于高頻仿真軟件(HFSS)驗算設計的準確性,進行修改完善,這樣就省略了大量的試生產時間,快速適應市場需求。

編輯：黃飛

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