如何选择、使用和维护面向射频应用的同轴连接器

作者:Art Pini

投稿人:Digi-Key 北美编辑

射频 (RF) 电路正迅速广泛应用于有线和无线通信,包括 Wi-Fi 和用于物联网 (IoT) 的各种无线技术。这些高频信号需要在系统、电路元件和子组件之间进行分配,且产生最小的损耗或寄生辐射。

虽然这一直都是射频同轴电缆和连接器应该承担的角色,但是设计人员承受着时间、成本和可靠性方面的压力,需要确保快速选择最佳射频连接器并正确应用,以达到最佳性能并延长使用寿命。

本文将从关键参数(例如尺寸、频率范围、损耗和耐用性)的角度介绍射频连接器,帮助设计人员确保连接器与射频应用相匹配。本文还将介绍适当的解决方案,包括有关其应用和维护的实用信息。

射频同轴连接器

在通信、广播、无线以及测试和测量应用中,射频同轴连接器和电缆提供了关键射频链路。它们在射频系统、元件、子组件和使用同轴电缆或带状线的设备之间提供低损耗路径。基本的同轴结构由包围着同心绝缘介电层的中心导体组成,而该结构又被一个圆柱形导电外壳包围。电缆元件的尺寸得到精确控制,提供恒定的导体尺寸和间距,以便电缆作为传输线高效发挥作用。射频连接器提供了结点,将同轴电缆和带状线传输线连接到其他元件或子组件。它们扩展了同轴结构,增加了互锁导体和锁定机制,同时保持恒定的阻抗。图 1 显示了来自 Amphenol RF 的超小型 A 型 (SMA) 连接器元件配接对。

Amphenol RF 的 SMA 连接器对的图片

图 1:SMA 连接器对是同轴连接器的一个示例,图中显示了用于配接的内导体、介电层和用于锁定的外导体。(图片来源:Amphenol RF)

图像左侧是公插头。图像右侧为母插头,也就是连接器对的插孔或插座。通常,公插头带有突出的中心导体,外导体上有内部锁定螺纹。插座带有凹陷的内导体和外部锁定螺纹。应该注意的是,某些“反极性”连接器类型的锁定螺纹是反向的,外螺纹位于上公插头上,内螺纹位于母插头上。其他锁定机构可能包括扭锁、卡口连接或扣锁环。

与这个 SMA 连接器对相似,大多数同轴连接器都是区分公母的,两个半边的结构不同。也有某些连接器结点的每一侧都具有相同的结构。这些主要是用于实验室应用的高精度连接器。

同轴连接器类型

虽然射频连接器种类众多,但它们的许多关键参数不同。这些规格包括物理尺寸、阻抗、电压驻波比、接合类型、带宽或频率范围(表 1)。

表 1

表 1:常用同轴连接器规格的总结表。(数据来源:Digi-Key Electronics)

连接器带宽

同轴连接器的关键规格是带宽。该规格描述了连接器的最高使用频率。连接器的最大可用频率与外壳直径和用作电介质的材料具有函数关系。外壳直径越小,最大可用频率越高。同样,使用空气作为电介质可提供相对于其他电介质的最高频率性能。因此,最高带宽的连接器使用空气作为电介质。

连接器阻抗

为确保最大功率传输并减少反射引起的功率损耗,连接器的特征阻抗应与源和负载相匹配。大多数面向常规射频应用的连接器阻抗值设计为 50 W;而 75 W 连接器则可用于视频相关应用。

VSWR

电压驻波比 (VSWR) 是配接连接器有效阻抗的衡量指标。VSWR 越高,由于阻抗不匹配,从连接器反射的功率就越多。请注意,VSWR 是频率的函数,连接器 VSWR 值只能在相同频率下进行比较。

接合机制

上表中的“接合方法”列显示了采用的机械锁定机制的类型。在连接器可能受到振动的应用中,这一点极其重要。接合通常要在易连接性和安全锁定之间作权衡。图 1 中显示的 SMA 连接器对是螺纹接合的一个示例。图 2 显示了卡口式和咬接式接合的示例,分别使用 BNC 和 SMP 连接器类型。

卡口式和咬接式接合的图片

图 2:卡口式和咬接式接合的示例。在预期将会发生振动的应用中,接合方法非常重要,它通常要在易用性和安全锁定之间作权衡。(图片来源:Digi-Key Electronics)

连接器尺寸和耐用性

鉴于微型化趋势,尺寸在选择连接器方面起着重要作用。表 2 显示了所列连接器的尺寸等级。在连接器尺寸和使用寿命之间需要进行折衷权衡。较小的连接器可用的连接/断开配接次数通常较少。较大的 N 型连接器的耐用性可能大于 500 个配接次数,而微型 U.FL 连接器的耐用性仅限于 30 个配接次数。每种连接器的使用寿命因制造商而异,如果使用寿命是一个重要参数,则应查阅制造商提供的规格书。

用于测试和测量仪器等应用的同轴连接器,通常具有很多配接次数,一般使用“连接器保护器”进行保护。这些易于更换的适配器与仪器连接器配接,提供消耗性的连接器基体,可使用多次。

连接器类别和行业规格

连接器分为多种不同类别。表 2 中,精密连接器(如 1 mm 至 2.92 mm 的连接器和 N 型连接器)属于 IEEE-STD-287 规格。这些连接器具有更精确的尺寸容差,这是其宽带宽应用所决定的。更多的常见连接器属于 MIL-STD-348 规格,或者符合某一种欧洲标准,例如 CECC 22220。这些连接器的容差更宽松,因此有机会节省成本。

配接兼容性

特定连接器类别能够配接不同系列的连接器。表 2 列出了一些可能的互换式连接器配接。1.85 mm 和 2.4 mm 连接器可以互换,2.92 mm 和 3.5 mm 连接器也可以互换。2.92 mm 和 3.5 mm 公头连接器基体可以与 SMA 母头连接器配合使用,整体带宽会降低。由于它们的容差等级不同,尝试将 SMA 公头与 2.92 mm 或 3.5 mm 母头连接器配接时并不可取。SMA 连接器的较大机械公差会损坏精密连接器的插座引脚。

连接器额定功率

制造商没有提供连接器的功率耗散额定值,因为该规范高度取决于具体应用。功率耗散因频率、系统 VSWR、温度、海拔高度和负载阻抗而异。一般来说,功率容量直接随连接器的尺寸和散热能力而变化。最大功率耗散值随着频率增加而降低。

具有最高功率容量的连接器是 N 型连接器,容量达到 300 和 400 瓦特 (W)。其次则是 BNC 和 SMA 连接器。精密连接器的功率仅限于数十瓦特。再强调一次,如果需要高功率运行,请与制造商联系,以获取更精确的功率耗散规格,这一点非常重要。

连接器用途

在使用连接器之前,应检查是否有金属微粒、中心导体弯曲、外壳破裂或变形等损坏(图 3)。任何损坏都应进行修复,或者更换损坏的连接器。连接器应保持清洁,不得积累灰尘或其他污染物。连接器基体应该平滑配接,不会粘连或卡住。不要强力进行连接器配接;如果发生问题,请重新检查连接器,以确定问题来源。

配接螺纹连接器时,请只转动外壳,不要转动连接器基体或线缆。旋转连接器基体可能损坏中心导体。外套筒手动拧紧后,请按照制造商的说明,使用校准的扭力扳手,以达到指定的锁紧扭矩。

SMA 连接器的图片,左侧为污物和金属屑积聚在电介质上,右侧为经过清洁后

图 3:SMA 连接器的示例,左侧图片为污物和金属屑积聚在电介质上,右侧图片为使用棉签和异丙醇清洁之后。(图片来源:Digi-Key Electronics)

连接器维护

连接器应保持清洁。确保清洁的最佳方式是在不使用连接器时使用保护盖。如果连接器被灰尘污染,应该进行清洁。带有固体电介质的连接器可以用浸有异丙醇的无绒棉签进行清洁。请小心避免弯曲中心导体引脚。清洁螺纹连接器的内部和外部螺纹也是一种很好的做法。不要在使用空气介质的连接器上通过棉签清洁,因为用于固定元件的介质磁珠可能会被溶剂损坏。它们可以使用干燥的压缩空气进行清洁。

选择同轴连接器

选择同轴连接器时,首先要考虑处理所使用信号需要何种带宽,然后考虑尺寸和机械配置(插头、插座、焊入、面板安装等)。我们以 1 GHz 信号发生器的输出连接器为例。由于这是测试和测量信号源,所以 BNC 连接器是常见的选择。BNC 的带宽大于 1 GHz,可用作面板安装插座。Amphenol RF 的 31-221-RFX 型号 BNC 插座是不错的选择。

为超过 10 GHz 的频率信号选择连接器时,可考虑使用 SMA 连接器,例如 Amphenol SV Microwave SF2950-6062,或者使用 2.92 mm 精密连接器,例如 Amphenol SV Microwave SF1521-60013。选择时可能要在带宽和成本之间折衷权衡。2.9 mm 连接器的带宽大于 SMA 的两倍,但在具有带宽优势的同时,它的成本几乎是后者的三倍。

如果尺寸是首要的规格,应考虑连接器的耐用性。例如,Molex LLC MMCX 插孔型号 0734152063 的额定配接次数为 500 次。Hirose Electric Co.U.FL-R-SMT(10) 尺寸小巧,但能够耐受的配接次数只有 30 次。此外,也可能存在显著的成本差异。

总结

本文介绍了各种类型的射频同轴连接器,总结了它们的主要属性,为设计人员提供了很好的着手点,帮助他们为其设计选择合适的连接器。正如本文所述,选择看似简单的射频同轴连接器时,仔细了解工程要求非常重要。建议进一步查询供应商的规格书,以查看更详细的信息。

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关于此作者

Art Pini

Arthur (Art) Pini 是 Digi-Key Electronics 的特约作者。他拥有纽约城市学院的电气工程学士学位和纽约城市大学的电气工程硕士学位。Art 在电子领域拥有超过 50 年的经验,曾在 Teledyne LeCroy、Summation、Wavetek 和 Nicolet Scientific 担任重要工程和营销职位。Art 对测量技术很感兴趣,在示波器、频谱分析仪、任意波形发生器、数字化仪和功率计方面有着丰富的经验。

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