射頻連接器中絕緣子設(shè)計(jì)方法的改進(jìn)
1 射頻連接器的設(shè)計(jì)原理
射頻連接器設(shè)計(jì)主要包括三個(gè)方面：a.頭部配合尺寸的選取；b.連接器內(nèi)外導(dǎo)體與電纜內(nèi)外導(dǎo)體之間的機(jī)械和電氣連接，包括一系列的過渡尺寸的確定；c.連接器內(nèi)部因直徑突變而導(dǎo)致的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的確定。連接器頭部可根據(jù)需要參照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范確定其標(biāo)準(zhǔn)接口尺寸。連接器內(nèi)外導(dǎo)體與電纜內(nèi)外導(dǎo)體的機(jī)械和電氣連接要在保證每一截面上的特性阻抗為50Ω的基礎(chǔ)上，遵從“直徑漸變”原則并保證連接的穩(wěn)定、可靠。補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的確定是設(shè)計(jì)射頻同軸連接器的關(guān)鍵所在。
為使連接器在其截止頻率范圍內(nèi)保持優(yōu)異的VSWR性能，在設(shè)計(jì)連接器的結(jié)構(gòu)尺寸時(shí)，必須遵循三個(gè)基本原則：a.盡量減少阻抗不連續(xù)性；b.在每個(gè)截面上盡可能保持一致的特性阻抗，將其偏差控制在±0.5Ω之內(nèi)；c.對(duì)于每一個(gè)不可避免的阻抗不連續(xù)性采取共面或高抗補(bǔ)償。在電纜內(nèi)外導(dǎo)體與連接器內(nèi)外導(dǎo)體的連接中，不可避免地存在著直徑變化。由于導(dǎo)體直徑的階梯突變，破壞了電磁場(chǎng)分布的均勻性，從而導(dǎo)致了阻抗而不匹配。根據(jù)電磁場(chǎng)理論可知，在導(dǎo)體直徑的突變處，相當(dāng)于在均勻傳輸線中并聯(lián)上一個(gè)不連續(xù)電容。連接器的絕緣子起著固定連接器內(nèi)外導(dǎo)體的作用，并能防止插針或插孔的軸向移動(dòng)，同時(shí)通過對(duì)絕緣子尺寸的合理設(shè)計(jì)，使絕緣子處的感抗正好能補(bǔ)償內(nèi)外導(dǎo)體直徑變化引起的不連續(xù)電容，起到高抗補(bǔ)償?shù)淖饔茫瑥亩鴾p少電信號(hào)在傳輸過程中的反射，*終達(dá)到減小VSWR的目的。實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)表明，絕緣子的補(bǔ)償間隙直接影響著電纜組件VSWR的大小，因而成為射頻連接器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵之一。
2 絕緣子高抗補(bǔ)償間隙的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算
在射頻連接器結(jié)構(gòu)中，理想情況下特性阻抗Z。但由于內(nèi)外導(dǎo)體直徑不可避免地存在著同時(shí)同向突變的狀況，使內(nèi)外導(dǎo)體之間產(chǎn)生了電容Cd，相當(dāng)于。為了使Z'c=Zc，就要設(shè)法產(chǎn)生一個(gè)電感，一般可采用使內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變處錯(cuò)開一段距離△的方法（錯(cuò)開處可由空氣或固體介質(zhì)作為絕緣），用來補(bǔ)償由內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變引起的不連續(xù)電容，這就是以往用得很多的高抗補(bǔ)償法。高抗補(bǔ)償主要通過對(duì)絕緣子間隙的設(shè)計(jì)來補(bǔ)償不連續(xù)電容，使間隙段的電感與由電纜、連接器兩者內(nèi)外導(dǎo)體直徑變化引起的不連續(xù)電容匹配，從而使整個(gè)間隙段達(dá)到50Ω特性阻抗值，在整個(gè)截止頻率范圍內(nèi)獲得優(yōu)異的VSWR。
傳統(tǒng)的絕緣子高抗補(bǔ)償間隙△的經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式是：（1）（2）,式中D1為較小的外導(dǎo)體直徑，D2為較大的外導(dǎo)體直徑；ε為此處介質(zhì)的介電常數(shù)。在設(shè)計(jì)射頻連接器的過程中，我們可以根據(jù)（1）或式（2）初步得出絕緣子高抗補(bǔ)償間隙的大概值。根據(jù)SMA-J824型連接器所接電纜的尺寸，D2/D1=1.11，所以式（1）比較適合計(jì)算絕緣子的高抗補(bǔ)償間隙。由式（1）得到△為0.2mm。但是，按這個(gè)尺寸加工的連接器，經(jīng)裝配成電纜組件后測(cè)試驗(yàn)證，其性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足高頻、寬帶下的VSWR要求（見圖1）。從圖中可見，當(dāng)補(bǔ)償間隙為0.2mm時(shí)，整個(gè)頻帶內(nèi)的VSWR都不理想。這是因?yàn)椋剑?）和式（2）未考慮到頻率對(duì)VSWR的影響。因此，光靠傳統(tǒng)的高抗補(bǔ)償間隙的經(jīng)驗(yàn)公式來設(shè)計(jì)射頻連接器已不能滿足高頻、寬帶下的VSWR要求，還需要借助于改進(jìn)的設(shè)計(jì)方法理一步降低VSWR。
圖1 △=0.2mm時(shí)的VSWR
3 改進(jìn)的絕緣子補(bǔ)償間隙設(shè)計(jì)方法
由內(nèi)外導(dǎo)體同時(shí)同向突變而引起的不連續(xù)電容Cd可看作是內(nèi)導(dǎo)體直徑突變引起的不連續(xù)電容Cd1和外導(dǎo)體直徑突變引起的不連續(xù)電容Cd2的并聯(lián)，如圖4所示，顯然，Cd=Cd1+Cd2。
（1）內(nèi)導(dǎo)體直徑突變
計(jì)算內(nèi)導(dǎo)體直徑突變引起的不連續(xù)電容時(shí)，假定外導(dǎo)體的直徑是不變的，如圖2所示。內(nèi)導(dǎo)體直徑突變引起單位圓周長(zhǎng)度上的不連續(xù)電容C'd1可用下列近似公式計(jì)算：（3）式中，d1，d2分別為變化前后的內(nèi)導(dǎo)體直徑，d3為外導(dǎo)體直徑，ε為此處介質(zhì)的介電常數(shù)。則因內(nèi)導(dǎo)體直徑突變引起的不連續(xù)電容Cd1為：Cd1=πd3C'd1(α1，τ1)（F（4）
（2）外導(dǎo)體直徑突變
計(jì)算外導(dǎo)體直徑突變引導(dǎo)起的不連續(xù)電容時(shí)，假定內(nèi)導(dǎo)體的直徑是不變的，如圖3所示。外導(dǎo)體的直徑是不變的，如圖3所示。外導(dǎo)體直徑突變引起單位圓周長(zhǎng)度上的不連續(xù)電容C'd2可用下列近似公式計(jì)算：C'd2=C'do+6.2×10-15·(1-α2)2(τ2-1.4) (F/cm)（5）（6）圖2 內(nèi)導(dǎo)體直徑突變式中；d1為內(nèi)導(dǎo)體直徑，d2，d3為內(nèi)導(dǎo)體直徑，d2，d3分別為變化前后的外導(dǎo)體直徑，ε為此處介質(zhì)的介電常數(shù)。
則由外導(dǎo)體直徑突變引起的不連續(xù)電容為Cd2：Cd2=πd1C'd2(α2,τ2) （F）（7）圖3 外導(dǎo)體直徑突變
（3）內(nèi)外導(dǎo)體直徑同時(shí)同向突變
內(nèi)外導(dǎo)體直徑同時(shí)同向突變引起的總不連續(xù)電容等于內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變引起的不連續(xù)電容的并聯(lián)，即Cd=Cd1+Cd2，如圖4所示。以SMA-J824型連接器為例，可算得Cd為2.281×10-14F。圖4內(nèi)外導(dǎo)體直徑同時(shí)同向突變,國外連接器的設(shè)計(jì)不僅用絕緣子補(bǔ)償間隙來補(bǔ)償不連續(xù)電容，還可以使絕緣子處的阻抗略高于特性阻抗值加以補(bǔ)償。由這種結(jié)構(gòu)可推斷出，絕緣子補(bǔ)償間隙引起的電感和高于特性阻抗值的阻抗應(yīng)該能補(bǔ)償由內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變而引起的不連續(xù)電容，使此處的特性阻抗盡可能等于標(biāo)稱值，從而降低連接連續(xù)器的VSWR。使絕緣子處阻抗略高于特性阻抗值，可以通過減小絕緣子的介電常數(shù)，即通過在絕緣子中增加空氣來實(shí)現(xiàn)。SMA-J824型連接器的補(bǔ)償阻抗ZH取52Ω，根據(jù)特性阻抗計(jì)算公式（8）式中D為外導(dǎo)體內(nèi)徑，d為內(nèi)導(dǎo)體外徑。從中計(jì)算出在高特性阻抗ZH下引入空氣后的等效介電常數(shù)εe，εe=1+(ε-1)V1/V。由εe值可以得出絕緣子固體介質(zhì)的直徑尺寸，其中，V是絕緣子的總體積，V1是絕緣子中固體介質(zhì)的體積，ε是固體絕緣子的介電常數(shù)。*后，補(bǔ)償間隙可以按下式計(jì)算：（9）式中fc為截止頻率，λo為中心波長(zhǎng)，Zc為特性阻抗，ZH為補(bǔ)償處的阻抗，εe為引入空氣后絕緣子的等效介電常數(shù)，Cd為不連續(xù)電容，由式（9）可得△=1mm。
為了進(jìn)一步獲得優(yōu)良的VSRW性能，除了補(bǔ)償間隙為1mm的絕緣子外，還加工了阻抗為52Ω，高抗補(bǔ)償間隙分別為0.8mm、12.mm、1.5mm的絕緣子做試驗(yàn)。選取一些阻抗均勻的電纜作為裝配組件用電纜，以使電纜對(duì)組件的影響*小，并假設(shè)裝配工藝穩(wěn)定一致，從而忽略電纜和裝配技術(shù)對(duì)電纜組件性能的影響，由此判斷連接器的結(jié)構(gòu)對(duì)電纜組件的電性能的影響。把每一具有不同補(bǔ)償尺寸絕緣子的連接器各裝配成1m的電纜組件，測(cè)試結(jié)果表明，阻抗值取52Ω、絕緣子高抗補(bǔ)償間隙分別為1.2mm 的VSWR*小，如圖5所示。同時(shí)，為了便于研究，同樣加工了阻抗為54Ω、高抗補(bǔ)償間隙分別為0.8mm、1mm、1.2mm和1.5mm的絕緣子，并用上述相同的方法對(duì)電纜組件進(jìn)行了測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明，阻抗為54Ω、絕緣子高抗補(bǔ)償間隙為0.8mm時(shí)的VSRW*小，如圖6所示。表1列舉了在0.04~18GHz頻率范圍內(nèi)，連接器在不同絕緣子處阻抗值和高抗補(bǔ)償間隙時(shí)的1m電纜阻件的VSWR*大值（忽略可能由電纜引起的高峰）。從表1可知，VSWR對(duì)絕緣子的高抗補(bǔ)償間隙和阻抗值是敏感的。圖5 RH=52Ω, △=1.2mm時(shí)的VSWR,圖6 RH=54Ω, △=0.8mm時(shí)的VSWR
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