一、引言

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

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對射頻連接器電壓駐波比提出了越來越高的要求。許多連接器專家為此竭盡努力，取得了顯著的進(jìn)展。到了七十年代中后期，射頻連接器的發(fā)展在國際上達(dá)到鼎盛時(shí)期，其主要標(biāo)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(diǎn)頻測量，并且出現(xiàn)了時(shí)域測量技術(shù)。在國內(nèi)，隨著微波通信技術(shù)和測量方法的進(jìn)步，分米波電視的發(fā)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，本研究的目的在于為研制寬頻帶低駐波比射頻連接器提供設(shè)計(jì)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均勻性有關(guān)。簡單地說，在連接器內(nèi)，凡阻抗偏離標(biāo)稱特性阻抗值的地方，都會(huì)引起反射。

射頻連接器實(shí)質(zhì)上是一段帶有連接機(jī)構(gòu)、電纜夾緊裝置和其他裝置的非均勻同軸線。以直式連接器為例，與均勻同軸線相比，它有三處明顯的不均勻：絕緣支撐區(qū)域、導(dǎo)體尺寸過渡區(qū)域和連接器到電纜的結(jié)合部。在這些地方，都存在著導(dǎo)體直徑尺寸或?qū)w形狀的變化，因而出現(xiàn)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(dǎo)體連接間隙、導(dǎo)體直徑尺寸偏差、內(nèi)外導(dǎo)體偏心率、接觸件上的槽縫、介質(zhì)介電常數(shù)偏差和導(dǎo)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(shè)計(jì)

射頻連接器幾乎都有絕緣支撐，支撐的結(jié)構(gòu)型式很多，最普遍采用的有如圖1所示的兩種。由于支撐的介入，勢必發(fā)生導(dǎo)體直徑尺寸的階梯突變，破壞了傳輸線的均勻性。從理論分析可知[1]，同軸線導(dǎo)體直徑尺寸的突變，等效于在突變截面上并聯(lián)一個(gè)不連續(xù)電容，這個(gè)電容可按參考資料[2]提供的公式精確計(jì)算。為消除不連續(xù)電容引起的反射，必須采取補(bǔ)償措施，其方法有兩種：一種是高抗補(bǔ)償（圖1a），另一種是共面補(bǔ)償（圖1b）。
 
（a）
 
（b）

圖1

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

 （1）

第二種方法假定，在導(dǎo)體突變區(qū)域的內(nèi)外導(dǎo)體之間存在著一個(gè)理想等位圓柱面，其直徑可按下式計(jì)算[4]：

（2）

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

（3）

兩種計(jì)算方法得出截然不同的結(jié)果。圖2是以L27型連接器絕緣子為例計(jì)算出的曲線。可以看出，第一種結(jié)果表明總不連續(xù)電容隨外導(dǎo)體外削深度百分比而變化（曲線1）。當(dāng)外導(dǎo)體外削深度為完全外削（內(nèi)導(dǎo)體無內(nèi)削）深度的20%左右時(shí)，總不連續(xù)電容最小。而第二種結(jié)果卻表明總不連續(xù)電容幾乎與外導(dǎo)體外削深度無關(guān)（曲線2）。

根據(jù)自己的研究和試驗(yàn)，我們認(rèn)為后一種計(jì)算方法比較合乎實(shí)際，與試驗(yàn)結(jié)果頗接近。按此方法設(shè)計(jì)出的連接器大多能獲得滿意的結(jié)果，由此看來，設(shè)計(jì)絕緣支撐時(shí)，未必要遵循外導(dǎo)體外削深度應(yīng)控制在完全外削深度的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(bǔ)償不連續(xù)電容。這種方法稱高抗
補(bǔ)償。介質(zhì)區(qū)域的最佳阻抗值可按下式確定[5]：

（4）

式中ω=2πf0，f0是設(shè)計(jì)中心頻率，θ=，ε是介質(zhì)相對介電常數(shù)，λ0是真空波長，是絕緣子寬度。Z1值可用逐次逼近法求得。顯然，當(dāng)工作頻率偏離f0時(shí)，補(bǔ)償是不充分或過量的，因而將有殘余反射。僅當(dāng)頻帶不寬或駐波比要求不很苛刻時(shí)才采用高抗補(bǔ)償方法。

為了獲得寬頻帶低駐波比性能，應(yīng)當(dāng)采用圖1b所示的共面補(bǔ)償絕緣子。共面補(bǔ)償方法是使介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的阻抗等于標(biāo)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(bǔ)償不連續(xù)電容。介質(zhì)凹槽深度δ可按下式計(jì)算：

（5）

式中ε是介質(zhì)凹槽區(qū)域的等效介電常數(shù)。必須指出，在計(jì)算總不連續(xù)電容時(shí)，必須考慮臨近效應(yīng)的影響和頻率的變化而加以修正。

2. 導(dǎo)體直徑尺寸過渡段的最佳設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)接器或電纜連接器中，由于接口尺寸的差別，也不可避免地存在著導(dǎo)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復(fù)雜，精度難以保證而越來越少被采用。相反，由于加工方便，精度容易控制，在現(xiàn)行的連接器（包括精密型）中幾乎都采用如圖3所示的直角過渡型式。這種過渡的原理是通過錯(cuò)開內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變的截面提高電感，補(bǔ)償電容，使電路呈中性。這也是高抗補(bǔ)償。

圖3

錯(cuò)開距離a的數(shù)值如何精確計(jì)算？目前尚未查到嚴(yán)格推導(dǎo)的理論計(jì)算公式。人們普遍采用下列的經(jīng)驗(yàn)公式：
（6）
K=3.09（對于50Ω空氣線）或3.04（對于75Ω空氣線）。當(dāng)時(shí)，
（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(dá)多少？這是本研究的又一重要內(nèi)容。利用高精度駐波電橋和精密終端負(fù)載，取D=7，改變D1和a，對五種不同過渡比的轉(zhuǎn)接器進(jìn)行駐波比測試。盡管試驗(yàn)是初步的，但其結(jié)果頗能說明問題：

（1）取K=3.09，在FD1＜4GHz·cm的范圍內(nèi)，駐波比可小于1.05。這個(gè)經(jīng)典結(jié)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(dāng)K的數(shù)值最優(yōu)時(shí)，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(yuǎn)遠(yuǎn)超過4GHz·cm。

因此，必須通過精心試驗(yàn)找出K的最優(yōu)值并對過渡尺寸a嚴(yán)格控制，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(jié)合部的設(shè)計(jì)考慮

在連接器與電纜的結(jié)合部，通常也存在著導(dǎo)體直徑尺寸突變的情況。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(dǎo)體形狀的變化問題，即由光滑導(dǎo)體變?yōu)槁菪驁A環(huán)皺紋管狀導(dǎo)體。這是這類連接器的特殊問題。如何計(jì)算皺紋管導(dǎo)體的有效直徑？通常有兩種算法，一種取算術(shù)平均值，另一種取幾何平均值。哪一種準(zhǔn)確？本研究為此進(jìn)行了一些試驗(yàn)，結(jié)果表明，電纜皺紋管內(nèi)導(dǎo)體的等效外徑比其算術(shù)平均值大5～7%，而皺紋管外導(dǎo)體的等效內(nèi)徑比其算術(shù)平均值小2～3%。

為了獲得最佳的駐波比性能，應(yīng)使連接器和電纜的導(dǎo)體直徑尺寸盡量接近。對于不可避免的導(dǎo)體直徑突變，可按前述方法給予補(bǔ)償。傳輸線導(dǎo)體形狀由光滑變成皺紋時(shí)會(huì)不會(huì)引起附加的不連續(xù)電容？這個(gè)問題有待進(jìn)一步研究。

4. 內(nèi)導(dǎo)體連接間隙的控制

在射頻連接器轉(zhuǎn)接器中，導(dǎo)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(shè)計(jì)是保證外導(dǎo)體連接間隙為0，允許內(nèi)導(dǎo)體上存在一個(gè)連接間隙。這個(gè)間隙會(huì)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(jì)算和試驗(yàn)結(jié)果表明[6]，對于L16型同軸連接器，0.5mm的內(nèi)導(dǎo)體連接間隙在10GHz時(shí)可能引起1.09的駐波比，在17GHz時(shí)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，必須嚴(yán)格控制連接器或轉(zhuǎn)接器的內(nèi)外導(dǎo)體軸向尺寸公差。

5. 導(dǎo)體尺寸公差和介電常數(shù)偏差的影響

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

（8）

對于50Ω的介質(zhì)線，

（9）

以IF45型分米波連接器為例，設(shè)內(nèi)導(dǎo)體尺寸公差為±0.05，外導(dǎo)體尺寸公差為±0.1，△ε=±0.1，則空氣段的阻抗偏差為±0.65Ω，介質(zhì)段的阻抗偏差為±1.66Ω，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，必須適當(dāng)控制導(dǎo)體尺寸公差精度，尤其要注意介質(zhì)相對介電常數(shù)的設(shè)計(jì)值與實(shí)際值的良好吻合。

四、設(shè)計(jì)寬頻帶低駐波比連接器的基本原則

設(shè)計(jì)寬頻帶低駐波比連接器必須遵循以下三個(gè)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(bǔ)償導(dǎo)體直徑突變、導(dǎo)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(yīng)使連接器的每一長度單元上盡可能保持一致的特性阻抗。

2. 應(yīng)首先使未被補(bǔ)償?shù)牟贿B續(xù)電容減至最小，然后，對于每一個(gè)不可避免的不連續(xù)電容采取單獨(dú)的共面或高抗補(bǔ)償，并通過分離試驗(yàn)力求獲得最佳效果。

3. 應(yīng)通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)或表面處理把機(jī)械公差、磨損和介質(zhì)材料對駐波比的影響減至最小。
這三個(gè)原則有時(shí)會(huì)有矛盾，只能根據(jù)需要和可能折衷考慮。

五、結(jié)束語

研制低駐波比特別是精密型同軸連接器是一件很艱巨的工作，必須靈活應(yīng)用原則，不斷進(jìn)行科學(xué)試驗(yàn)方能奏效。就駐波比研究本身來說，也還有大量的工作（包括測試方法的研究）可做。愿本文的發(fā)表能對這項(xiàng)工作起到促進(jìn)作用。

作者：陳天化 蕢行方 陳榴琴

參考文獻(xiàn)

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[3] 研制精密同軸標(biāo)準(zhǔn)和元件的一些基本設(shè)計(jì)原則
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