【正文】 用無(wú)源器件》 鄭兆翁 1983年 人民郵電出版社2．《同軸連接器設(shè)計(jì)參考（匯集）》 高頻插頭座集中設(shè)計(jì)組 1972年3．《RADIALL》資料 2003年4．《Astrolab》資料 2003年5．《微波工程手冊(cè)》 微波工程手冊(cè)編現(xiàn)代射頻同軸連接器優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)西安富士達(dá)科技股份有限公司　武向文【摘要】本文對(duì)近幾年來(lái)國(guó)際上流行的射頻同軸連接器優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，即以理論計(jì)算和經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)為基礎(chǔ)、利用三維電磁場(chǎng)分析軟件建模仿真，并通過(guò)時(shí)域測(cè)量分析進(jìn)行優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法，進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹。優(yōu)化技術(shù)適用于射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸精度的確定、性能參數(shù)的提升等方面。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)也步入了一個(gè)新的時(shí)代，原來(lái)只有中、小型計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)工作站上才能運(yùn)行的仿真軟件現(xiàn)在也可以在微機(jī)上用了，這樣就給仿真技術(shù)的普及創(chuàng)造了有利條件。通過(guò)時(shí)域測(cè)量，可獲得沿傳輸線的阻抗變化、集中反射點(diǎn)位置、集中反射點(diǎn)的電特性等數(shù)據(jù)，這對(duì)于分析和優(yōu)化連接器設(shè)計(jì)是非常有利的。2　射頻同軸連接器的一般設(shè)計(jì)原則射頻同軸連接器的工作原理比較簡(jiǎn)單，可以說(shuō)是一段能夠使RF傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連接與分離的同軸傳輸線。但阻抗的不連續(xù)是不可避免的：界面的機(jī)械連接及界面的容差導(dǎo)致連接界面的阻抗不連續(xù)；用于保證機(jī)械穩(wěn)定性的臺(tái)階定位結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不連續(xù)電容的存在；機(jī)械公差及介質(zhì)電參數(shù)的漂移導(dǎo)致特性阻抗的漂移；連接器與電纜及微帶等射頻傳輸線連接部分的適配性及電磁場(chǎng)場(chǎng)形變化也會(huì)產(chǎn)生特性阻抗不連續(xù)。簡(jiǎn)單就是可靠，簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)不僅可以有效減少不連續(xù)點(diǎn)（段）的存在，提高電性能，而且簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)有更好的機(jī)械可靠性。共面補(bǔ)償是弱化和消除集中反射（不連續(xù)點(diǎn)）的有效方法，其原理是針對(duì)不連續(xù)點(diǎn)的電特性（容性或感性）在其鄰近部位引入一段感性或容性區(qū)域，使在不連續(xù)點(diǎn)附近一定區(qū)域內(nèi)“平均阻抗”接近標(biāo)稱特性阻抗值，以達(dá)到在一定的頻段內(nèi)減小反射的目的。　　3　仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)利用三維電磁場(chǎng)分析軟件建模仿真，對(duì)連接器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率。 Ansoft Optimetrics (Ansoft 優(yōu)化)是一種變量分析工具，它可以方便地對(duì)模型變量模擬分析，使我們?cè)谀M優(yōu)化時(shí)不用再建立和求解一系列模型，而只需建立一個(gè)模型即可。下面我們用Ansoft HFSS軟件對(duì)一種7/16型1/4波長(zhǎng)寬帶防雷連接器進(jìn)行仿真優(yōu)化，以此為例介紹一下射頻同軸連接器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。由LC低通濾波網(wǎng)絡(luò)原理可知，集中電容或電感值越大，低濾波器的通頻帶越窄，即在較高的使用頻率下想要使共面補(bǔ)償達(dá)到更好的效果，首先是集中電容或電感值要盡量的小，否則在高頻段不可能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的射頻同軸連接器產(chǎn)品。保證傳輸線阻抗的均勻性是減小反射的關(guān)鍵。關(guān)于射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)補(bǔ)償計(jì)算很多理論著作及學(xué)術(shù)論文當(dāng)中都有更為詳盡的闡述，這里就不再贅述了，但需要說(shuō)明的是絕大多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式都是通過(guò)對(duì)大尺寸同軸傳輸線的研究得來(lái)的，對(duì)我們常規(guī)的使用頻率不是很高的連接器的設(shè)計(jì)而言其精確度已足夠，而對(duì)于小尺寸、高頻率、高性能要求的連接器（如毫米波連接器）設(shè)計(jì)而言，由于尺寸公差、表面粗糙度、金屬材料表面電阻率及介質(zhì)電參數(shù)的穩(wěn)定性等方面的影響變得不可忽略，所以此時(shí)的計(jì)算結(jié)果僅能作為參考。這是對(duì)連接器界面及結(jié)構(gòu)的基本要求，另一方面連接器需要與同軸電纜、微帶等傳輸線連接，同樣也需要考慮連接過(guò)渡的匹配性、穩(wěn)定性和連接的可靠性。時(shí)域測(cè)量的定位精度和響應(yīng)分辨率直接關(guān)系到時(shí)域分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而響應(yīng)分辨率與微波測(cè)試設(shè)備的頻寬、采樣速率有直接的關(guān)系。這些無(wú)疑給連接器的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造有極為有利的條件。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)系統(tǒng)要求連接器具有更多的附加功能，如濾波（隔直、防雷等）、整流、衰減等；另一方面整機(jī)系統(tǒng)信號(hào)頻率在不斷提高，對(duì)信號(hào)傳輸部分的損耗和電壓駐波比也有了更高的要求。近幾年來(lái)隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，整機(jī)設(shè)備對(duì)射頻同軸連接器的技術(shù)要求越來(lái)越高，寬頻帶、低駐波、小型化、多功能、高可靠、快速連接等等，新的連接器品種應(yīng)運(yùn)而生、層出不窮，這也對(duì)連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。Kc頻率（GHz）（HT）=耐高溫介質(zhì)支撐墊圈（FLH）=法國(guó)圣迭戈班公司注冊(cè)商標(biāo)：氟塑料（HF）=高頻（EF）=擴(kuò)頻（展寬頻率）影響射頻連接器傳輸功率的因素射頻連接器在實(shí)際使用中傳輸功率的大小,首先與傳輸波(連續(xù)波或脈沖波)有關(guān),同時(shí)和使用頻率、環(huán)境溫度、大氣壓力以及系統(tǒng)的匹配狀況；零件制造中的表面質(zhì)量、組裝中的潔凈、無(wú)污染等等因素有關(guān)。后，應(yīng)采取θ錐頂?shù)腻e(cuò)位，（虛線中的Δ）。1同軸變截面補(bǔ)償設(shè)計(jì)（1）臺(tái)階式變截面（錯(cuò)位補(bǔ)償）① 介質(zhì)相同 εr =1② 時(shí) Z0=50Ω k=Z0=60Ω k=Z0=75Ω k=③ 時(shí) （2）錐形變截面 介質(zhì)相同 εr =1θ1(176。cm）1f：頻率（MHZ）β2（介質(zhì)損耗）= （dB/cm）駐波系數(shù)對(duì)衰減的影響傳輸線端的負(fù)載的駐波系數(shù)本身增加了傳輸線的衰減Γ2：傳輸線輸入端的反射系數(shù)Γ1：負(fù)載的反射系數(shù)βL：傳輸線長(zhǎng)度為L(zhǎng)時(shí)的衰減傳輸線內(nèi)外導(dǎo)體間的電場(chǎng) Ea（V/cm）同軸傳輸線內(nèi)外導(dǎo)體間，內(nèi)導(dǎo)體外表面的電場(chǎng)為最大 （V/cm）Um：內(nèi)外導(dǎo)體間的峰值電壓1傳輸線的最大工作電壓 U（單位：伏特，50HZ有效值） E的值由絕緣材料的特性確定，單位（伏特/cm）表5絕緣材料E（V/cm）空氣30000空氣+聚四氟乙烯5000空氣+聚乙烯5000單層聚四氟乙烯40000單層聚乙烯500001同軸傳輸線的最大電暈強(qiáng)度 Pc 式中：U：最大工作電壓 （V，50HZ有效值）P1：同軸線內(nèi)空氣壓力P0：正常大氣壓P1/P0：只有一部分介質(zhì)是由干燥空氣時(shí)才考慮，否則為11同軸傳輸線允許傳輸?shù)钠骄β? Pm （瓦）式中：ρ0：外導(dǎo)體的熱擴(kuò)散系數(shù) （W/cm2）D′：外導(dǎo)體（殼體）的外徑 （cm）β：總衰減， （dB/cm）k：反射的系數(shù) （頻率大于500MHZ時(shí)）ρ0的值： 表6D′（mm）ρ0（W/cm2）1020≈40≈80≈1傳輸功率 P （μr設(shè)為1）同軸線的電壓駐波比（VSWR）為S時(shí)，傳輸最大平均功率Pmax1介質(zhì)支撐設(shè)計(jì)公式（1）等效介電常數(shù)(εe)的計(jì)算公式當(dāng)有2種或2種以上的介質(zhì)構(gòu)成的支撐件，則其等效介電常數(shù)的計(jì)算方法如下：a. 同軸分布的非單一介質(zhì) 圖2b. 基本對(duì)稱分布的二種介質(zhì)εε2：二種介質(zhì)的介電常數(shù)V2：對(duì)應(yīng)ε2介質(zhì)的體積之和V總：二種介質(zhì)的總體積之和 圖3若ε2為空氣（即去除部分固體介質(zhì)材料）則（2）介質(zhì)支撐件的設(shè)計(jì)公式（見(jiàn)圖4）當(dāng)在均勻介質(zhì)的同軸線中，有限長(zhǎng)度的非相同介質(zhì)的支撐件會(huì)引起TEM波的激勵(lì)（高次模），影響同軸傳輸線的截止頻率和傳輸性能，但在射頻同軸連接器設(shè)計(jì)中，基本上不可避免地存在有限長(zhǎng)度非相同介質(zhì)支撐件（除半硬電纜直通型自由端連接器）。==5）可以利用公式： 的式子求出│Tn│2 的頻率曲線其中，n2=│Γ│2max/1│Γ│2max =,又反射系數(shù)切階梯變換器數(shù)表n=2 │Γ│max=│Γ│max=Rρρ1ρ2ρρ1ρ2同軸傳輸線、同軸連接器、射頻電纜組件工程設(shè)計(jì)參考資料馬乃祉D：外導(dǎo)體內(nèi)徑d：內(nèi)導(dǎo)體外徑εr：介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)μr：介質(zhì)相對(duì)導(dǎo)磁系數(shù) 圖1表1 常用介質(zhì)材料的電性能參數(shù)（25℃、標(biāo)準(zhǔn)大氣壓）介質(zhì)材料常用標(biāo)記介電強(qiáng)度(伏/密耳)相對(duì)介電常數(shù)εr(103Hz)正切損耗角tgδ(100MHZ)空氣air8010聚乙烯PE4805103交聯(lián)聚乙烯IMP7005103聚四氟乙烯TFE4801104氟化乙烯丙烯FEP5002104聚酰亞胺(改性)PI5602103聚丙烯(共聚)500～660～5104聚苯乙烯POLY5005104苯乙烯聚苯撐氧MPPO5003103聚苯撐硫/聚苯撐氧PPS/PPO6003103改性聚苯醚5003103特性阻抗，Z0（毆姆）精確計(jì)算：?jiǎn)挝婚L(zhǎng)度電容C、電感L（pF/英呎）（μH/英呎） 1英呎=理論截止頻率 fc（GHZ）λc：截止波長(zhǎng)C0：真空中的光速，精確值為299792458177。46’ 特性阻抗為不同純阻的變換對(duì)階梯變換的計(jì)算舉例：已知：如上圖，外導(dǎo)體D=30mm46’157525176。30’137515176。16’117025176。50’97015176。28’75225176。18’55215176。48’35023176。1） 當(dāng)＜3時(shí)， 對(duì)50Ω同軸線，K=對(duì)60Ω同軸線，K=對(duì)75Ω同軸線，K=2） 當(dāng)2＜＜5時(shí)，a≌ D/8漸變型其中，ρ——特性阻抗ρ（Ω）ψφabcd15015176。上列各對(duì)中，0的駐波偏大些。 空氣部分的標(biāo)稱尺寸D0和do根據(jù)特性阻抗公式算出：D0=16 do =?。篋0 =16+ (涂復(fù)前尺寸) 介質(zhì)部分的內(nèi)外導(dǎo)體直徑根據(jù)設(shè)計(jì)原則1，在介質(zhì)區(qū)域內(nèi)應(yīng)該使特性阻抗等于標(biāo)稱值Z0=50Ω取ε= D1=18于是，最后取：D1=18+ （涂前尺寸）取：d2=7 d3=16求補(bǔ)償槽深度δ（1） 求等效介電常數(shù)： 已知：ε1=ε3=ε=， ε2=1∴ （2） 等位參考面直徑D∴ D=≈12（3）求Cd Cd1’(外導(dǎo)體直徑變化引起的不連續(xù)性電容)Cd2’（內(nèi)導(dǎo)體直徑變化引起的不連續(xù)性電容） 臨近效應(yīng)修正系數(shù)：ρ= 考慮到介質(zhì)和臨近效應(yīng)： ∴ ∴ ∴δ= 最后?。害?177。四、 同軸轉(zhuǎn)接器設(shè)計(jì)在同軸系統(tǒng)中經(jīng)常會(huì)遇到不同型號(hào)的連接器，要把它們連接起來(lái)，必須借助于轉(zhuǎn)接器才能完成，它的作用就是把線徑不同的連接器配起來(lái)。在設(shè)計(jì)中，對(duì)絕緣支撐的重量應(yīng)加以考慮，最好通過(guò)實(shí)驗(yàn)找出最佳重量。根據(jù)（33）式計(jì)算的一個(gè)實(shí)際例子是5016支撐，在此例中，?。篋1=18， D0=16， d0= d2=7， d3=16求得：d1=， δ=這個(gè)支撐片的性能，測(cè)試結(jié)果列在下頁(yè)表中。為此，可使AA和BB之間的鏡像阻抗等于標(biāo)稱特性阻抗。不過(guò)可以用逐次逼近法求解D1和d1，即先設(shè)D1/d1=x1，計(jì)算等式左邊之?dāng)?shù)值，看其是否等于y0或z0，若不等，又設(shè)D1/d1= x2，重復(fù)計(jì)算，直至相等為止。如前所述，在導(dǎo)體直徑突變處，可用電路理論求得最佳尺寸。（一） 標(biāo)稱尺寸的選擇由（1）式?jīng)Q定內(nèi)、外導(dǎo)體的標(biāo)稱直徑，并考慮標(biāo)準(zhǔn)化、系列化，由（12）式根據(jù)技術(shù)要求決定公差，配合尺寸要考慮通用性、互換性。實(shí)踐表明，在同軸線的較長(zhǎng)區(qū)域內(nèi)，改變特性阻抗以補(bǔ)償集中的不連續(xù)性。例如，在支撐內(nèi)導(dǎo)體不得不采用絕緣支撐，于是發(fā)生了導(dǎo)體直徑的突變，引起阻抗的不連續(xù)。在以往的設(shè)計(jì)中，常常利用一段特性阻抗高于或低于標(biāo)稱值的同軸線來(lái)補(bǔ)償導(dǎo)體直徑的階梯，導(dǎo)體上的槽或間隙所引起的不連續(xù)性，這種設(shè)計(jì)雖然也能獲得好的性能，但頻帶不可能很寬。