射频同轴连接器技术简介

2020年2月25日 评论 1,117 5169字

射频连接器通常装接在电缆上或安装在仪器上的一种元件,作为实现传输线电气连接或分离的元件,它属于机电一体化产品。本文主要介绍RF同轴连接器技术。

一、射频连接器发展概况

1939年出现的UHF连接器是最早的RF连接器,二战期间,随着雷达、电台和微波通信的发展,产生了N、C、BNC、TNC等中型系列。1958年后,随着整机设备的小型化,出现了SMA、SMB、SMC等小型化产品。1964年制定了美国军用标准MIL-C-39012《射频同轴连接器总规范》。七十年代末,毫米波连接器出现;九十年代初,HP公司推出频率高达110GHz的1.0mm连接器,并用于其仪器设备中;九十年代出现表现贴装射频同轴连接器,并大量用于手机产品中。

我国射频同轴连接器的发展

我国从五十年代开始由整机厂研制RF连接器,六十年代组建专业工厂,开始了专业化生产,1972年国家组织集中设计,使国产的RF连接器自成体系,只能在国内使用,产品标准水平低,且不能与国际通用产品对接互换。八十年代起开始采用国际标准,根据IEC169和MIL-C-39012,颁布了GB11313和GJB681,使射频同轴连接器的生产和使用逐步与国际接轨;经过十几年的努力,目前通用R连接器的整体水平与国外差距不大,但精密连接器的设计与生产跟国外仍有较大差距。

二、射频连接器的标准体系

美军标

美国是世界上最大的通用型RF连接器制造和消费国,其技术水平也是一流的。因此美国军用标准MLC39012被认为是RF连接器的最高标准

其它先进国家的标准有德国DIN、英国BS、日本JIS和IEC标准等。这些国家或国际标准大都是参照或等同美军标制订的,有些国家或公司甚至直接应用美军标。

IEC标准

IEC标准是指导性标准,不是强制性标准,因此很少被直接引用;值得一提的是德国在某些专用新型连接器方面也有一些优势,例如:DIN47223、7/16(L29)系列、DIN47297、SAA系列、DIN41626、DSA系列,这些系列产品在通信领域应用较广泛,德国的标准和产品已得到全世界认可,但美国尚无这些标准出现。

我国现行标准

我国现行通用RF同轴连接器标准分两部分,一部分是军用标准(GJB681、GB680、GJB976及其详细规范)。另一部分是民用产品标准,按IEC169-1制定的GB11313。

不论是国军标还是国标,基本上都是照搬国外先进标准制订的,主要指标不折不扣搬过来。因此,可以说我们现行标准与国际接轨,且指标和技术水平与国际先进水平同步。

三、射频连接器基本概念及技术特点

1、RF连接器的定义与作用

通常装接在电缆上或安装在仪器上的一种元件,作为实现传输线电气连接或分离的元件。它属于机电一体化产品。简单地讲它主要起桥梁作用。

2、连接器的分类

连接器种类繁多,根据技术特性的不同,按频率划分为音频(Audio)、视频(Vidio)、射频(Radio)、光纤( fribre optic)四大类。频率范围如下:

Audio---20KHz以下

Vidio----30MHz~500MHz以下

Radio----500MHz ~300GHz

Fibre-----167THz ~375THz

其中应用在 Radio波段的连接器称作RF连接器

工程中常用的波段划分如下(单位GHz):

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3、RF连接器的分类

1) 按端接方式分为:

  1. 连接器MIL-C-39012(GJB681)
  2. 转接器MIL-A-55339(GJB680)
  3. 微带与带状线ML-C-83517(GJB976)

2)按连接方式分为:

  1. 卡口式(内卡口、外卡口)
  2. 螺纹式(右旋螺纹、左旋螺纹)
  3. 推入式(直插式、带止动式、自锁式)

3)按功能分为:

  1. 通用型(2级)
  2. 精密型(0级、1级)
  3. 专用型(耐辐照、耐高压、防水等)
  4. 多功能型(含有滤波、调相位、混频、衰减、检波、限幅等)

4)按尺寸大小分为:

  1. 标准型(N、UHF、C..)
  2. 小型(BNG、TNG...)
  3. 超小型(SMA、SMB、SMC、MCX、BMA、SAA...)
  4. 微型(SSMA、SSMB、MMGX....)

四、射频连接器主要指标

(一) 电气方面

1、特性阻抗 。特性阻抗(Zo)是RF连接器十分重要的基本参数,它直接影响电压驻波

比、工作频带、插入损耗等指标。特性阻抗计算公式:

射频同轴连接器技术简介2、工作频带设计。RF连接器的工作模式是TEM波,其下限截止频率为零;H11模的截止频率就是同轴线的上限工作频率。公式为:

射频同轴连接器技术简介3、接触电阻

RF连接器的接触电阻是指接触点的电阻一般在毫欧级,数值应尽量小。它主要考核接触件的机械性能,测量时应去除体电阻、焊点电阻的影响。

4、绝缘电阻

主要考核介质材料特性、结构设计优劣及装配过程中零件表面是否清洁。绝缘性能差会产生漏电流,轻则产生噪声,严重时无法有效传输信号。

5、介质耐压

介质耐压考核的对象与绝缘电阻差不多,但介质耐压一旦不合格,危害性很大,它可以使连接器或整机系统直接发热或烧毁。所以介质耐压指标不过关是RF连接器的致命缺陷。

6、射频高电位耐压

一般测试频率为5~7.5MHz,而不是介质耐压的50Hz,在这一频率时介质承受电压能力是不同的。它的主要目的是考核连接器耐受高频电压的能力。

7、电晕电平

进行这项试验,是为了考核连接器在低气压条件下耐受空气电离产生电晕的能力。因为电晕引起持续的放电,会导致连接器破坏。

8、射频泄漏

随着整机系统的发展,对信号传输质量要求愈来愈高,因此,射频泄漏指标显得特别重要。该指标具有双重作用,一方面大的射频泄漏将造成能量传输损失,另一方面,凡是频泄漏性能差的产品,其抗干扰能力也很差。防止射频泄漏着重应从连接机构、电缆装接机构和电缆选择几方面考虑。通常测试频率为2~3GHz,要求指标为60~90dB。

9、射频插入损耗

插入损耗是传输系统的一项重要指标,但实际中连接器的损耗与电缆相比是非常小的,可以忽略不计。例如2GHz时,SMA连接器的插损耗仅为0.03dB,而SYV-50-3的插入损耗则达0.8dB/m。

10、电压驻波比(VSWR)

VSWR定义为传输线上电压(电流)最大幅值最小幅值之比,是RF连接器最重要的电气指标,是衡量RF连接器性能优劣的主要依据。

射频同轴连接器技术简介对于电缆连接器来说,设计师应从连接器、电缆及装接方法三方面系统地考虑VSWR,无论哪一方面有缺陷,电缆组件的VSWR都不可能很好,也就是提醒设计和使用人员不应局限在连接器内研究电缆连接器的VSWR。

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(二)机械结构方面

RF连接器依靠优良的机械结构确保电气和使用特性,因此,机械结构的设计十分重要

结构设计的基本准则有两条:第一条“简单就是可靠”;第二条“结构设计必须清楚掌握客户要求,充分保证所要求的特性。”

1、啮合力与分离力

主要考核阳连接器插拔手感,螺纹式连接器用啮合力矩检验(如SMA:0.23Nm);卡口式用力矩和力检验;推入式用力检验,(如SMB最大啮合力62.3N,最小分离力8.9N)。

2、连接机构的耐力矩

这项指标仅适用于螺纹式连接器,主要目的是检验连接机构的强度,对于小型螺纹连接器要达到指标比较困难,需从连接机构的材料、加工工艺及装过程严格控制。

3、插合特性

插合特性主要是通过机械方法检查弹性插孔的弹性,其性能优劣与接触电阻和连接器耐久性有直接联系。

4、中心接触件固定性

无论哪种连接器,其中心接触件都要同电缆芯线、微带或其它导体连接。连接器使用时中心接触件将受到轴向推拉力和力矩的作用,如果中心接触件固定不好,将导致尾部连接点受力过大而松脱或断裂。

5、电缆保持力

验证连接器的电缆装接是否有效可靠。

6、连接机构保持力

当连接器承受规定的轴向力时,连接机构不应松脱。

(三)环境方面

1、密封性

防水密封:低压时防止水或潮气进入。

气密封:有特定漏率指标,连接器需采用玻璃或陶瓷烧结,产品的电性能指标比常规
产品低。

2、振动

防止连接器在振动环境条件下,出现瞬断或外观机械损伤。

3、冲击

检验连接器抗冲击能力,防止连接器在运输、现场工作或不经心处置而造成损环。

4、温度冲击

通过这项试验,确定连接器在高温到低温过程中耐冲击的能力。温度冲击可能造成灌封部位出现脱落、开裂、绝缘性能下降、不良外壳裂开等。

5、耐湿(防潮)

进行耐湿试验的目的是为了评价连接器及其材料承受高温、高热条件引起的老化效应。耐湿性差的连接器的主要表现是介质耐压、绝缘电阻下降,表面老化甚至开裂。

6、盐雾(腐蚀)

这项试验主要模拟沿海工作环境条件下,连接器抗锈蚀能力,实际主要是检验镀层质量。

(四)材料方面

1、弹性材料

按GJB要求,除非另有规定,中心接触件的弹性零件应采用铍青铜制成。

2、绝缘材料

一般产品选用聚四氟乙烯(TFE),精密型连接器采用交链聚苯乙烯,气密封连接器除外。

3、壳体材料

按美军标规定RF连接器壳体可用黄铜、磷、铜、铝、无磁易切不锈钢和铍青铜五种材料。这里要特别注意在军标中规定连接器壳体材料的导磁率要小于2.0,这就是我们不能采用一般钢材作过连接器壳体的原因。

(五)化学方面

1、不相容金属

彼此之间可能产生电动势耦合的不相容金属不应相互接触装配和使用,以防产生千扰信
号及电化学腐蚀。

2、电镀

要控制镀层的厚度、致密性和与金属底层的结合力。所有镀金件不得采用镀银底层,因为银在特定条件下会产生化学迁移。

五、常用射频连接器介绍

1、标准型(N、C系列)

(1) N系列

是为满足二战急需研制的最早的微波系列。主要归功于Paul、Neil,因此叫“N"系列。它采用螺纹对接互换,工作频率0~11GHz,可配接3~12mm软、半柔和半刚性电缆。

(2) C系列

是Concel 研制成功的,它采用内卡口方式连接,内部公称尺寸,工作频率等与N系列相
同,但没有N系列通用。

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2、小型(BNC、TNC系列)

(1) BNC系列

是Neill和 Concel共同研制的 Bayonet(外卡口)连接器,因而简称“BNC”。其工作频
率0~4GHz,最大特点是连接方便,一般通过连接卡套旋转不到一圈即可连接好。适用于频繁连接与分离的场合,是最通用而又便宜的产品。尤其在仪器仪表、网络和计算机信鼠领域应用广泛。

(2) TNC系列

是BNC的螺纹式变形,又称螺纹式BNC,其工作频率达11GHz,抗振性好,军用较多。

3、超小型(SMA、SMB、SMC、MCX、BMA、SAA)

(1)SMA系列( Subminiature A)

SMA是1958年由美国 Bend ix公司的 James Cheal发明的,工作频率0~18GHz

(2)SMB系列

SMB是一种带止动件的推入式连接器,体积小、插拔方便、抗振性好、占用空间小,广
泛应用于工作频率在0~4GHz的通信设备、仪器仪表和导航系统。

(3)SMC系列

是SMB的螺纹式变形,其内部结构尺寸与SMB相同,工作频率0~11GHz,通常用于雷达、导航等军用设备。

(4)MCX系列(IEC1169-36)

其基本功能与SMB类同,但体积比SMB小1/3,有替代SMB的趋势。

(5) BMA系列(IEC1169-33)

又称盲插连接器,其固定插座在轴向和径向均有一定的浮动量,可实现积木式、模块化整机系统,快速盲插更换,主要用于军用产品和A通信设备。

工作频率0~22GHz。内部公称尺寸及配用电缆与SMA相同。

(6)SAA系列(DIN47297)

是一种推入自锁式连接器,有50Ω 和75Ω两种。国内目前在程控交换机、光端机等通信系统大量应用。

4、微型(SSMA、SSMB、MMCX系列)

(1)SSMA系列

结构特点与SMA相似,但体积更小,工作频率可达40GHz,是目前通用的标准毫米波连接器。

(2)SSMB系列

结构特点与SMB相似,体积更小巧,在军用电台中普遍采用。

(3)MMCX系列

是国外近年来才出现的一种新型推入式连接器,也是目前应用中最小的一种连接器。

5、表面贴装型(SMT)

表面贴装型RF连接器国内刚开始应用,目前还无正式国际标准。

6、75Ω 系列同轴连接器

主要有BNC、L9、SAA、SMB、SMC、F型等系列,用于民用通信系统及仪器仪表行业。

六、射频连接器的选择与使用

选择适当的RF连接器建议从以下几个方面综合考虑,逐一淘汰,最后优选出所需的产品。

1、按使用要求选出特性阻抗,工作频率符合要求的RF连接器。
2、按传输功率大小、插入损耗、屏蔽要求选择适当的RF连接器和适配的电缆。
3、结合使用空间大小,插拔频繁程度及使用环境确定RF连接器的连接方式。
4、根据使用空间确定固定方式(法兰、螺母、焊接)。
5、确定电缆端接方。
6、根据使用要求确定连接器外形尺寸。

使用者必须熟悉所选定产品的性能,严格按额定条件使用,任何超负荷的使用都有可能
导致RF连接器失效。对于电缆连接器来说,应特别注意电缆的装接,应按供应商提供的组装说明进行装接,如果装接不当,即便电缆与连接器性能很好,组件性能也有可能很差。

来源:线束世界。

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