降低射頻連接器電壓駐波比的研究

一、引言

射頻連接器是無線電電子設(shè)備和儀表中必不可少甚至是關(guān)鍵的電子元件。電壓駐波比是射頻連接器的一項(xiàng)極重要的電氣參數(shù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，對(duì)射頻連接器電壓駐波比提出了越來越高的要求。許多連接器專家為此竭盡努力，取得了顯著的進(jìn)展。到了七十年代中后期，射頻連接器的發(fā)展 在國際上達(dá)到鼎盛時(shí)期，其主要標(biāo)志是相繼研制出21mm、14mm、7mm和3.5mm精密同軸連接器和各種精密轉(zhuǎn)接器，工程用射頻連接器的電壓駐波比性 能也有顯著提高，掃頻測量取代了點(diǎn)頻測量，并且出現(xiàn)了時(shí)域測量技術(shù)。在國內(nèi)，隨著微波通信技術(shù)和測量方法的進(jìn)步，分米波電視的發(fā)展，對(duì)連接器電壓駐波比的 要求也越來越高，如要求研制工作在0～18GHz駐波比小于1.30的SMA連接器、0～18GHz駐波比小于1.40的連接器電纜組件、0～1GHz駐 波比小于1.05的分米波連接器以及駐波比小于1.02的各種精密轉(zhuǎn)接器。研制工作到40GHz駐波比小于1.50的毫米波連接器也提到議事日程上，本研 究的目的在于為研制寬頻帶低駐波比射頻連接器提供設(shè)計(jì)依據(jù)。

二、影響射頻連接器駐波比的主要因素

反射系數(shù)主要與傳輸線的阻抗均勻性有關(guān)。簡單地說，在連接器內(nèi)，凡阻抗偏離標(biāo)稱特性阻抗值的地方，都會(huì)引起反射。

射頻連接器實(shí)質(zhì)上是一段帶有連接機(jī)構(gòu)、電纜夾緊裝置和其他裝置的非均勻同軸線。以直式連接器為例，與均勻同軸線相比，它有三處明顯的不均勻：絕緣支撐區(qū)域、 導(dǎo)體尺寸過渡區(qū)域和連接器到電纜的結(jié)合部。在這些地方，都存在著導(dǎo)體直徑尺寸或?qū)w形狀的變化，因而出現(xiàn)了不連續(xù)電容，引起反射。還有一些引起反射的其他 因素，例如導(dǎo)體連接間隙、導(dǎo)體直徑尺寸偏差、內(nèi)外導(dǎo)體偏心率、接觸件上的槽縫、介質(zhì)介電常數(shù)偏差和導(dǎo)體表面粗糙度等等。但上述三處卻是連接器內(nèi)部的三大反 射源，只要把它們引起的反射降低到可以容許的程度，其他的就不難解決了。

三、降低射頻連接器駐波比的途徑

1. 最佳絕緣支撐的設(shè)計(jì)

射頻連接器幾乎都有絕緣支撐，支撐的結(jié)構(gòu)型式很多，最普遍采用的有如圖1所示的兩種。由于支撐的介入，勢必發(fā)生導(dǎo)體直徑尺寸的階梯突變，破壞了傳輸線的均勻 性。從理論分析可知[1]，同軸線導(dǎo)體直徑尺寸的突變，等效于在突變截面上并聯(lián)一個(gè)不連續(xù)電容，這個(gè)電容可按參考資料[2]提供的公式精確計(jì)算。為消除不 連續(xù)電容引起的反射，必須采取補(bǔ)償措施，其方法有兩種：一種是高抗補(bǔ)償（圖1a），另一種是共面補(bǔ)償（圖1b）。

（a）

（b）

圖1

如何計(jì)算如圖1所示的導(dǎo)體直徑同時(shí)反向突變引起的不連續(xù)電容呢？國外資料曾經(jīng)報(bào)道過兩種不同的計(jì)算方法。第一種方法認(rèn)為總不連續(xù)電容等于內(nèi)外導(dǎo)體突變的兩種最壞組合所形成的單臺(tái)階不連續(xù)電容之和[3]，即

（1）

第二種方法假定，在導(dǎo)體突變區(qū)域的內(nèi)外導(dǎo)體之間存在著一個(gè)理想等位圓柱面，其直徑可按下式計(jì)算[4]：

（2）

總不連續(xù)電容等于由這個(gè)等位圓柱面和突變內(nèi)外導(dǎo)體分別組成的兩個(gè)單臺(tái)階突變所形成的不連續(xù)電容的串聯(lián)，即

（3）

兩種計(jì)算方法得出截然不同的結(jié)果。圖2是以L27型連接器絕緣子為例計(jì)算出的曲線?？梢钥闯?，第一種結(jié)果表明總不連續(xù)電容隨外導(dǎo)體外削深度百分比而變化（曲 線1）。當(dāng)外導(dǎo)體外削深度為完全外削（內(nèi)導(dǎo)體無內(nèi)削）深度的20%左右時(shí)，總不連續(xù)電容最小。而第二種結(jié)果卻表明總不連續(xù)電容幾乎與外導(dǎo)體外削深度無關(guān) （曲線2）。

根據(jù)自己的研究和試驗(yàn)，我們認(rèn)為后一種計(jì)算方法比較合乎實(shí)際，與試驗(yàn)結(jié)果頗接近。按此方法設(shè)計(jì)出的連接器大多能獲得滿意的結(jié)果，由此看來，設(shè)計(jì)絕緣支撐時(shí)，未必要遵循外導(dǎo)體外削深度應(yīng)控制在完全外削深度的20%左右的原則。

圖2

可以用提高介質(zhì)區(qū)域特性阻抗即增大電感的方法來補(bǔ)償不連續(xù)電容。這種方法稱高抗
補(bǔ)償。介質(zhì)區(qū)域的最佳阻抗值可按下式確定[5]：

（4）

式中ω=2πf0，f0是設(shè)計(jì)中心頻率，θ=，ε是介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)，λ0是真空波長，是絕緣子寬度。Z1值可用逐次逼近法求得。顯然，當(dāng)工作頻率偏離f0時(shí)，補(bǔ)償是不充分或過量的，因而將有殘余反射。僅當(dāng)頻帶不寬或駐波比要求不很苛刻時(shí)才采用高抗補(bǔ)償方法。

為了獲得寬頻帶低駐波比性能，應(yīng)當(dāng)采用圖1b所示的共面補(bǔ)償絕緣子。共面補(bǔ)償方法是使介質(zhì)區(qū)域內(nèi)的阻抗等于標(biāo)稱特性阻抗，通過去除介質(zhì)端面的部分介質(zhì)以提高電感來就地補(bǔ)償不連續(xù)電容。介質(zhì)凹槽深度δ可按下式計(jì)算：

（5）

式中ε是介質(zhì)凹槽區(qū)域的等效介電常數(shù)。必須指出，在計(jì)算總不連續(xù)電容時(shí)，必須考慮臨近效應(yīng)的影響和頻率的變化而加以修正。

2. 導(dǎo)體直徑尺寸過渡段的最佳設(shè)計(jì)

在轉(zhuǎn)接器或電纜連接器中，由于接口尺寸的差別，也不可避免地存在著導(dǎo)體截面尺寸由小變大或由大變小的過渡。為了把過渡段不連續(xù)電容引起的反射減至最小，通常 有三種過渡方式：直角過渡、錐形過渡和拋物線過渡。后兩種過渡方式由于加工復(fù)雜，精度難以保證而越來越少被采用。相反，由于加工方便，精度容易控制，在現(xiàn) 行的連接器（包括精密型）中幾乎都采用如圖3所示的直角過渡型式。這種過渡的原理是通過錯(cuò)開內(nèi)外導(dǎo)體直徑突變的截面提高電感，補(bǔ)償電容，使電路呈中性。這也是高抗補(bǔ)償。

圖3