在微波射頻器件設(shè)計(jì)過(guò)程中
少不了在輸入輸出處對(duì)連接器的處理
本文分析了連接器的設(shè)計(jì)以及不同情況下的處理方式
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任何一種射頻同軸連接器，都需要經(jīng)過(guò)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)加工、裝配、測(cè)試檢驗(yàn)諸過(guò)程，才能成為合格產(chǎn)品，供安裝使用。
在這些形成合格產(chǎn)品的過(guò)程中，都涉到產(chǎn)品的VSWR，即都與產(chǎn)品的VSWR有關(guān)，因而都可能存在影響產(chǎn)品的VSWR的因素。
研制寬帶精密同軸元件的三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則，不僅適用于精密同軸連接器，同樣，也適用于具有VSWR要求的所有射頻同軸連接器。
因而，三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則是目前進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須遵守的原則。三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則的要點(diǎn)是：
1.1
設(shè)計(jì)原則1
? 在連接器的每一個(gè)橫截面上盡可能保持一個(gè)恒定的特性阻抗。例如：50Ω。
? 應(yīng)用一段特性阻抗高于和低于標(biāo)稱阻抗的傳輸線，對(duì)導(dǎo)體上的階梯、槽或間隙進(jìn)行補(bǔ)償，限制了寬帶性能，不能應(yīng)用到寬帶精密元件上。
1.2
設(shè)計(jì)原則2
? 阻抗不連續(xù)是不可避免的；
? 對(duì)于每個(gè)阻抗不連續(xù)，都要進(jìn)行補(bǔ)償；
? 為獲得最好的性能，首先應(yīng)把未補(bǔ)償?shù)牟贿B續(xù)減至最小；
? 其次對(duì)剩余的阻抗不連續(xù)，應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償（引入一個(gè)單獨(dú)的共面補(bǔ)償）；
? 改變阻抗的做法，限制了帶寬，不適合寬帶設(shè)計(jì)。
1.3
設(shè)計(jì)原則3
? 同軸元件中導(dǎo)體的尺寸公差總是不可避免的；
? 把電氣性能對(duì)機(jī)械公差的依賴減至最小。例如：易磨損，碰傷處。
這三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則，雖然人所共知，但應(yīng)用起來(lái)，由于種種原因，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)一些偏差，或顧此失彼，出現(xiàn)一些這樣或那樣的問(wèn)題。一些例子如：
圖1. 三項(xiàng)基本設(shè)計(jì)原則應(yīng)用不當(dāng)示例
在圖1圖a中，為固定內(nèi)導(dǎo)體，防旋轉(zhuǎn)或竄動(dòng)，常在內(nèi)導(dǎo)體上設(shè)置1處或2處倒刺，或在內(nèi)導(dǎo)體上滾上直紋、網(wǎng)紋，使內(nèi)導(dǎo)體局部外徑增大，而在相對(duì)應(yīng)的外導(dǎo)體上來(lái)做補(bǔ)償，致使倒刺或滾花處阻抗不連續(xù)。不符合基本設(shè)計(jì)原則1和2；
在圖1圖b中，在內(nèi)、外導(dǎo)體直徑變化處，產(chǎn)生不連續(xù)電容，需要進(jìn)行補(bǔ)償，但常常被忽略，這不符合基本設(shè)計(jì)原則2；
如圖c在絕緣支撐的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，在設(shè)計(jì)中雖然注意進(jìn)行共面補(bǔ)償，但決定補(bǔ)償好環(huán)的重要尺寸δ，常常選擇不當(dāng)，因而補(bǔ)償不當(dāng)；
如圖d，因結(jié)構(gòu)工藝需要，常常需要在內(nèi)導(dǎo)體或外導(dǎo)體上開孔，孔徑φ影響了該處的特性阻抗，但常被忽略，引起阻抗不均勻；
如圖e和圖f，有些產(chǎn)品因結(jié)構(gòu)需要，收口處正是機(jī)械電氣基準(zhǔn)面或在基準(zhǔn)面處設(shè)置壓環(huán)，用來(lái)固定絕緣支撐，這種情況不符合設(shè)計(jì)原則3。
射頻同軸連接器的特性阻抗由下式確定：
或
式中：
Z --表示特性阻抗單位Ω；
D--外導(dǎo)體內(nèi)徑單位mm；
D--內(nèi)導(dǎo)體外徑單位mm；
εr--絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
在產(chǎn)品零件的生產(chǎn)加工過(guò)程中，任何尺寸都不可避免地存在尺寸公差。內(nèi)外導(dǎo)體直徑的公差對(duì)特性阻抗的影響為：
對(duì)50Ω空氣線：
對(duì)50Ω介質(zhì)線：
式中：
△D--外導(dǎo)體內(nèi)徑的公差；
△d--內(nèi)導(dǎo)體外徑的公差；
△εr--絕緣介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)的誤差；
△Zo--引起的特性阻抗的偏差。
由內(nèi)、外導(dǎo)體直徑的公差引起的電壓駐波比為：
圖2. d和D的偏心度
連接器內(nèi)、外導(dǎo)體的橫截面由于制造或裝配的原因會(huì)出現(xiàn)不同軸，假設(shè)不同軸度為e，如圖2所示。
由于不同軸度e的作用，改變了傳輸線中該段的分布電容，所產(chǎn)生的阻抗誤差為：
式中，頁(yè)號(hào)表示特性阻抗變小。
對(duì)于50Ω的連接器，其阻抗誤差為：
為了保證彈性接觸的需要，在連接器的內(nèi)、外導(dǎo)體上常開有不同數(shù)量的軸向槽，由于開槽，使該處的導(dǎo)體直徑變小，引起該處的特性阻抗變化，這些槽引起的特性阻抗的偏差為：
式中：
△Z--特性阻抗變化的百分?jǐn)?shù)；
N--為開槽的數(shù)目；
ω--為內(nèi)導(dǎo)體上的槽寬；單位：mm；
W--為外導(dǎo)體上的槽寬；單位：mm；
d--內(nèi)導(dǎo)體外徑；單位：mm；
D--外導(dǎo)體內(nèi)徑；單位：mm；
圖3.插針和插孔的連接配合
同軸連接器配對(duì)連接后，總是希望插頭和插座兩者的內(nèi)、外導(dǎo)體在軸向?qū)崿F(xiàn)緊密接觸。
但由于機(jī)械結(jié)構(gòu)的原因，要達(dá)到兩者都能緊密接觸是非常困難的。
為了預(yù)防插損內(nèi)導(dǎo)體，通常設(shè)計(jì)時(shí)使外導(dǎo)體端面緊密接觸無(wú)間隙，允許內(nèi)導(dǎo)體的接觸端有微小間隙。
設(shè)內(nèi)導(dǎo)體的接觸端面間隙為g，如圖3，該間隙所引起的電壓駐波比取決于 間隙的寬度和陰性接觸件的槽寬。引起的駐波比的計(jì)算公式如下：
式中：
f--為工作頻率； 單位：GHz；
g--內(nèi)導(dǎo)體間隙寬度；單位：mm；
dg--內(nèi)導(dǎo)體插針的直徑；單位：mm；
ω--插孔上的槽寬；單位：mm；
d--內(nèi)導(dǎo)體外徑；單位：mm；
N--內(nèi)導(dǎo)體插孔上槽的數(shù)目。
因種種原因，外導(dǎo)體接觸端面存在間隙時(shí)，設(shè)間隙為G，則引起的駐波比的相應(yīng)公式為：
式中：
f--為工作頻率；單位：GHz；
G--外導(dǎo)體端面間隙寬度；單位：mm；
Dg--間隙區(qū)內(nèi)外導(dǎo)體直徑；單位：mm；
D--外導(dǎo)體標(biāo)稱內(nèi)徑；單位：mm；
W--外導(dǎo)體接觸件上的槽寬；單位：mm；
N--外導(dǎo)體接觸件上開槽的數(shù)目。
為了支撐內(nèi)導(dǎo)體，不得不設(shè)置絕緣支撐，絕緣支撐的設(shè)置，不得不切割內(nèi)、外導(dǎo)體。
內(nèi)切割內(nèi)導(dǎo)體和外切割外導(dǎo)體不可避免地在絕緣支撐的表面引起不連續(xù)電容，形成反射；絕緣支撐的厚度和絕緣支撐相互之間的距離若設(shè)計(jì)不當(dāng)，也會(huì)引起反射。
所有這些都會(huì)影響射頻連接器的電壓駐波比。
當(dāng) 作寬帶絕緣支撐設(shè)計(jì)時(shí)，根據(jù)基本設(shè)計(jì)原則1，在絕緣支撐內(nèi)部的特性阻抗必須和與之相連的空氣介質(zhì)區(qū)的特性阻抗相同。
如果在絕緣支撐和內(nèi)、外導(dǎo)體的金屬表面存在空氣隙，則很容易致使截面上的相對(duì)介電常數(shù)發(fā)生變化，因而對(duì)該處的特性阻抗會(huì)有很大的影響。
當(dāng)特性阻抗有偏差時(shí)，該偏差引起的駐波比由下式給出：
式中：
S是以百分?jǐn)?shù)表示的駐波比；
△Z是以百分?jǐn)?shù)表示的特性阻抗的誤差；
f是以GHz為單位的頻率；
fo是以GHz為單位的頻率，在這個(gè)頻率時(shí)，絕緣支撐的電長(zhǎng)度是一個(gè)波長(zhǎng)。
對(duì)切割內(nèi)、外導(dǎo)體處絕緣支撐表面引起的不連續(xù)電容，通常采用挖去部分材料的辦法，進(jìn)行共面補(bǔ)償，由界面補(bǔ)償?shù)男≌`差引起的駐波比由下式給出：
式中：S、f和fo與前含義相同；
Δx是在1.0GHz時(shí)以百分?jǐn)?shù)表示的單一面上的駐波比。
當(dāng)工作頻率不高時(shí)，可以采用高阻設(shè)計(jì)。即絕緣支撐內(nèi)部的特性阻抗Zε略高于標(biāo)稱阻抗Z。，通常的作法是取Zε=1.08Z。
有時(shí)也采用幾何平均值兩段式過(guò)渡的方式，即滿足等式：
Z1表示第一段的阻抗，Z2表示第二段的特性阻抗。
在均勻同軸傳輸線中絕緣支撐的諧振頻率是絕緣支撐長(zhǎng)度(厚度)及其相對(duì)介電常數(shù)的函數(shù)，在厚度B一定時(shí)，諧振頻率隨介電常數(shù)εr的減小而升高，在εr一 定時(shí)，諧振頻率隨絕緣支撐的厚度B的減小而升高。
當(dāng)B趨近于零時(shí)，就成為一個(gè)空氣同軸線，其諧振頻率由它的截止頻率所決定。
而當(dāng)B接近外導(dǎo)體直徑D時(shí)，由 于絕緣支撐的諧振作用使得同軸線中的電磁波傳輸極不穩(wěn)定，并使同軸線的截止頻率受到約束而下降。
可見，絕緣支撐的厚度必須小于外導(dǎo)體的直徑，即B＜D，而 且厚度B越薄越好。為避免在同軸線中出現(xiàn)高次模，絕緣支撐的厚度B應(yīng)滿足式：
式中：
B為絕緣支撐的厚度；
fc為空氣同軸線的理論上限頻率；
f為工作頻率；
λg為工作頻率的波長(zhǎng)；
εr為絕緣支撐的相對(duì)介電常數(shù)。
一對(duì)插合的連接器，其絕緣支撐在同軸線中的位置以距同軸線直徑變化處的位置模型如下圖所示：
圖4.絕緣支撐在連接器中的軸向位置模型
圖中L為兩絕緣支撐之間的距離，l為絕緣支撐到基準(zhǔn)面之間的距離L＝2l；B為絕緣支撐的厚度，L1為絕緣支撐到外導(dǎo)體直徑變化處 的距離。
同軸腔中的諧振不僅由絕緣支撐內(nèi)部的場(chǎng)決定，而且外部的空間距離也有相當(dāng)大的影響，即兩個(gè)絕緣支撐之間的距離將影響諧振頻率，當(dāng)L≥2D時(shí)，絕緣 支撐之間的相互影響可減至較小，而當(dāng)L＝3D時(shí)，絕緣支撐之間的相互影響完全可以忽略不計(jì)。
絕緣支撐距外導(dǎo)體的直徑變化處L1＝D時(shí)，相互影響減至最小，而當(dāng)L1＝1.5D時(shí)相互影響可以忽略不計(jì)。
因此當(dāng)L的取值小于D時(shí)，往往影響到射頻連接器的電壓駐波比。
在連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，由于界面不同或配接的電纜的直徑不同，經(jīng)常會(huì)遇到內(nèi)、外導(dǎo)體直徑的變化，產(chǎn)生不連續(xù)電容。
為了補(bǔ)償階梯產(chǎn)生的不連續(xù)電容，需要采取一定的補(bǔ)償方法，如果補(bǔ)償過(guò)渡設(shè)計(jì)不當(dāng)，會(huì)嚴(yán)重影響射頻連接器的VSWR，對(duì)于過(guò)渡設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，常用的結(jié)構(gòu)如下：
為了滿足導(dǎo)體直徑變化的需要，采用內(nèi)、外導(dǎo)體錯(cuò)開一段距離的辦法進(jìn)行補(bǔ)償，也有人稱作階梯補(bǔ)償、直角補(bǔ)償?shù)取?/p>
如圖5所示：粗端內(nèi)、外導(dǎo)體直徑分別用d和D表示，細(xì)端內(nèi)、外導(dǎo)體直徑分別用d1和D1表示，錯(cuò)開的距離用a表示。
圖5.錯(cuò)位補(bǔ)償示意圖
當(dāng)
時(shí)，
式中K是取決于特性阻抗的常數(shù)。
式中：當(dāng)特性阻抗為50Ω時(shí)，K=3.09；
當(dāng)特性阻抗為75Ω時(shí)，K=3.04。
當(dāng)同軸線為固體介質(zhì)同軸線時(shí)，
式中：K同上，εr為絕緣介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)。
當(dāng)
時(shí)，
空氣同軸線
固體介質(zhì)同軸線
錐體過(guò)渡形式如圖6所示：
圖6.錐體過(guò)渡結(jié)構(gòu)圖
錐體過(guò)渡又稱漸變過(guò)渡，這段過(guò)渡段的阻抗可按下式計(jì)算：
對(duì)于空氣介質(zhì)段，則為：
以上適用
時(shí)
在連接器直徑很小的情況下，在兩個(gè)特性阻抗截面之間可以進(jìn)行補(bǔ)償
當(dāng)Z1＜Zo和Z2＞Zo
滿足：
圖7.類中值過(guò)渡結(jié)構(gòu)圖
有資料顯示，在大約0.381μm以下的表面粗糙度容易在電氣上平均掉。
但是一些觀察表明，特性阻抗對(duì)表面 粗糙度有依賴。
當(dāng)具有1.905μm的表面的內(nèi)導(dǎo)體在7GHz時(shí)代替0.127μm粗糙度的內(nèi)導(dǎo)體時(shí)，7/16英寸標(biāo)準(zhǔn)空氣線的特性阻抗，發(fā)現(xiàn)有大于 0.1%的差別，相當(dāng)于特性阻抗的這樣一個(gè)差別的導(dǎo)體直徑的直接改變是大約5.08μm，然而內(nèi)導(dǎo)體平均直徑的實(shí)際差別低于0.508μm，雖然這個(gè)效應(yīng) 到目前為止尚無(wú)理論證明，但是可以測(cè)量的。并且應(yīng)加以注意。
為了降低導(dǎo)體的電阻率，常對(duì)導(dǎo)體表面進(jìn)行鍍涂。但常常具有令人失望的結(jié)果。
導(dǎo)體電阻率是重要的，因?yàn)樗婕暗教匦宰杩购蛡鞑ニ俣鹊年P(guān)系。
同樣也涉及到損耗的關(guān)系。
在500MHz以上，導(dǎo)體電阻率對(duì)特性阻抗和傳播速度的影響是二階的，并且常常被忽略。
由于電鍍方法不同，使得鍍銀得到的導(dǎo)體電阻率有很大的改變。
電鍍槽中包含有工業(yè)光亮劑的鍍銀導(dǎo)體， 所顯示的電阻率，大約與黃銅一樣。
無(wú)工業(yè)光亮劑的鍍銀導(dǎo)體有很低的電阻率，脈沖電鍍可以進(jìn)一步降低電阻率。
如圖8所示：
圖8.做為頻率函數(shù)的導(dǎo)體電阻率的測(cè)量數(shù)據(jù)
在裝配過(guò)程中，由于種種原因，會(huì)產(chǎn)生裝配不當(dāng)。
在生產(chǎn)線上，檢測(cè)VSWR指標(biāo)時(shí)，也常會(huì)發(fā)現(xiàn)，因裝配不當(dāng)導(dǎo)致產(chǎn)品VSWR超標(biāo)，常見的問(wèn)題有：
a、零件位置顛倒、錯(cuò)亂、張冠李戴等；
b、零件前后方向顛倒，如絕緣支撐，數(shù)量或多或少；
c、零件砘粗變形，導(dǎo)致內(nèi)、外導(dǎo)體直徑變化，尤其是小型產(chǎn)品、卡環(huán)等；
d、零件端面碰傷，有劃痕、壓痕等；
e、裝配中，異物進(jìn)入連接器內(nèi)部或多余物未清除干凈；
f、電纜剝制尺寸不當(dāng)?shù)取?/p>
所有的射頻同軸連接器的駐波性能，都是通過(guò)測(cè)試儀器顯示出來(lái)的，對(duì)駐波比性能的測(cè)試，不論采取那種方法（無(wú)誤差識(shí)別測(cè)量法、雙連接器法和有誤差識(shí)別測(cè)量法）都需要應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)試驗(yàn)連接器或轉(zhuǎn)接器和標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載、或稱精密型轉(zhuǎn)接器和精密負(fù)載。
并要求，使用的測(cè)試用電纜應(yīng)是優(yōu)選嚴(yán)格精密的公差類型的。
一般來(lái)說(shuō)，這些測(cè)試用附件，都是與儀器配套的或說(shuō)是原裝的徑標(biāo)定的。
但是在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中，因各生產(chǎn)廠經(jīng)濟(jì)狀況不同，或長(zhǎng)期使用缺乏標(biāo)定，或買的是二手儀器測(cè)試附件不配套來(lái)檢等，往往存在一些缺陷，即測(cè)試系統(tǒng)的測(cè)試附件剩余VSWR超標(biāo)。
試想用這樣的測(cè)試系統(tǒng)測(cè)出的數(shù)據(jù)能夠準(zhǔn)確嗎？
但是，這些缺陷又常常被忽略，總認(rèn)為測(cè)試系統(tǒng)是標(biāo)準(zhǔn)的，把注意力放在被測(cè)射頻連接器上。
所有這些，都不能真實(shí)的反映出產(chǎn)品的VSWR性能。
盡管目前很多企業(yè)都在貫標(biāo)，施行質(zhì)量控制保證體系，非常重視質(zhì)量問(wèn)題，但是常常由于種種原因，生產(chǎn)出的產(chǎn)品零件，不能保證100%的零件都不存在問(wèn)題，這些存在局部缺陷的零件，裝配到產(chǎn)品上，就會(huì)影響產(chǎn)品的VSWR。
生產(chǎn)線上常發(fā)現(xiàn)的缺陷有：
a、產(chǎn)品內(nèi)腔深處階梯間距尺寸超差、直徑尺寸超差等；
b、產(chǎn)品內(nèi)腔階梯處存在峰邊、卷邊、大毛刺、殘余銅屑等；
c、產(chǎn)品內(nèi)腔倒角不均、不同心、偏大或偏小尺寸角度超差等；
d、開槽、打孔尺寸超差；
e、產(chǎn)品內(nèi)腔表面粗糙度差，尤其在接觸表面上存在刀紋、振紋等。
以上這些都會(huì)對(duì)連接器的VSWR帶來(lái)不良影響。
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