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如何为RF应用选择,使用和维护同轴连接器

无线电频率(RF)电路在有线和无线通信中正在激增,包括用于物联网(IoT)的Wi-Fi和各种无线技术。这些高频信号需要在系统,电路组件和子组件之间进行分配,而损耗或寄生辐射损耗最小。
虽然传统上这是射频同轴电缆和连接器的作用,但是设计师在时间,成本和可靠性方面的压力需要确保他们能够快速选择最佳的射频连接器并正确应用以实现最佳性能和长使用寿命。
本文将从关键参数(如尺寸,频率范围,损耗和耐用性)角度查看射频连接器,以帮助设计人员将其连接器与射频应用相匹配。它还将提供适当的解决方案,并提供有关如何应用和维护它们的有用信息。

射频同轴连接器

射频同轴连接器和电缆提供通信,广播和无线以及测试和测量使用中的关键射频链路。它们提供射频系统,组件,子组件和利用同轴电缆或带状线的设备之间的低损耗路径。基本的同轴结构由被同心绝缘介电层包围的中心导体组成。而这又被一个圆柱形导电壳体包围。电缆元件的尺寸被精确地控制以提供恒定的导体尺寸和间距,这对于其作为传输线有效地起作用是需要的。射频连接器提供了连接同轴电缆和带状线传输线到其他组件或子组件的连接点。它们扩展了同轴结构,增加了互锁导体和锁定机构,同时保持恒定的电阻抗。一对配对的微型A型(SMA)连接器元件来自Amphenol RF如图1所示。
Amphenol RF SMA连接器对的图片
图1:SMA连接器对是同轴连接器的一个示例,图中显示了匹配的内导体,介电层和锁定外导体。(图片来源:Amphenol RF)
左手图像是男性或半只插头。右图显示了连接器对的母插孔或插座一半。通常,插头将具有突出的中心导体和外导体上的内部锁定螺纹。插座具有凹入的内导体和外部锁定螺纹。应该注意的是,某些“反极性”连接器类型将使锁定螺纹反向,外螺纹位于外螺纹部件上,内螺纹位于内螺纹部件上。其他锁定机构可能包括扭锁,卡口连接或卡扣环。
大多数同轴连接器,就像这个SMA连接器对一样,都是'性别',每半个结构都不同。有一些连接器在结的每一侧都有相同的结构。这些主要是用于实验室应用的高精度连接器。

同轴连接器类型

虽然有无数的射频连接器,但它们有许多关键参数不同。这些规格包括物理尺寸,阻抗,驻波比,耦合类型以及带宽或频率范围(表1)。
表格1
表1:常用同轴连接器规格汇总表。(数据来源:Digi-Key Electronics)

连接器带宽

同轴连接器的主要规格是带宽。这描述了可以使用的最高频率。连接器的最大可用频率是外壳直径和用作电介质的材料的函数。壳体直径越小,最大可用频率越高。类似地,使用空气作为电介质提供相对于其他电介质的最高频率性能。因此,最高带宽的连接器使用空气作为电介质。

连接器阻抗

为确保最大功率传输并减少反射引起的功率损耗,连接器的特性阻抗应与源和负载相匹配。大多数用于一般RF应用的连接器被设计为呈现50W阻抗; 而75 W连接器可用于视频相关应用。

VSWR

电压驻波比(VSWR)是配合连接器有效阻抗的度量。由于阻抗不匹配,VSWR越高,连接器反射的功率就越多。请注意,VSWR是频率的函数,而连接器VSWR值只能在相同频率下进行比较。

耦合机制

联轴器栏列出了所采用的机械锁定机构的类型。这在连接器受到振动的应用中非常重要。耦合通常是连接容易性和安全锁定之间的折衷。先前在图1中显示的SMA连接器对是螺纹连接的一个示例。图2中分别使用BNC和SMP连接器类型说明了卡口式和搭扣式连接器的示例。
刺刀和卡扣式联轴器的图像
图2:卡口式和搭扣式联轴器的示例。耦合方法在预期振动的应用中非常重要,并且通常在易用性和安全锁定之间进行权衡。(图片来源:Digi-Key Electronics)

连接器尺寸和耐用性

鉴于小型化趋势,尺寸在选择连接器方面起着重要作用。表2再次显示了列出的连接器的大小等级。尺寸和连接器寿命之间有一个折衷。较小的连接器往往具有较少的可用连接/断开连接周期。在较大的N型连接器可能具有大于500次插拔次数的耐用性的情况下,微型U.FL连接器的耐久性限于30次插拔次数。每个连接器的使用寿命因制造商而异,如果使用寿命是一个重要参数,则应查阅其规格。
用于诸如测试和测量仪器等应用中的同轴连接器,通常有许多插拔周期,通常使用“连接器储存器”进行保护。这些易于更换的适配器与仪器连接器配合使用,并提供多种用途的消耗性连接器主体。

连接器类和行业规范

连接器按几种不同的类别分类。在表2中,精密连接器(如1 mm至2.92 mm和N连接器)属于IEEE-STD-287标准。这些连接器具有更宽的带宽应用所规定的更精确的尺寸公差。更常见的连接器符合MIL-STD-348或欧洲标准之一,例如CECC 22220.这些连接器的公差更宽松,因此可以节省成本。

交配兼容性

与连接器类相关的是能够匹配不同系列的连接器。表2列出了一些可能的可互换连接器匹配。1.85 mm和2.4 mm连接器可以互换,2.92 mm和3.5 mm连接器也可以互换。2.92 mm和3.5 mm公连接器主体可以与SMA母头连接器配合使用,从而降低整体带宽。由于它们的公差等级不同,尝试将SMA公头与2.92 mm或3.5 mm母头连接器配对并不是一个好习惯。SMA较宽的机械公差会损坏精密连接器的插座引脚。

连接器额定功率

制造商不评估其连接器的功耗,因为该规范非常依赖于应用程序。它根据频率,系统VSWR,温度,海拔高度和负载阻抗而变化。一般来说,功率处理量随连接器的尺寸和散热能力而变化。最大功耗随着频率的增加而降低。
具有最佳功率处理能力的连接器是N连接器,能够处理300和400瓦(W)。BNC和SMA连接器将按顺序依次进行。精密连接器限于10瓦。再一次,如果需要高功率运行,与制造商联系以获得更精确的功耗规格非常重要。

连接器使用

在使用连接器之前,重要的是检查它是否有金属颗粒,弯曲的中心导体或者外壳破裂或变形等损坏(图3)。应该修复任何损坏,或者更换损坏的连接器。连接器应清洁,不得积累灰尘或其他污染物。连接器主体应该平滑配合,不会粘连或卡住。不要强制连接器配合; 如果发生问题,请重新检查连接器以确定源。
连接螺纹连接器时,请只转动外壳,不要转动连接器主体或电缆。旋转连接器主体可能会损坏中心导体。一旦外套圈手动拧紧,请按照制造商的说明使用校准的扭力扳手达到指定的锁紧力矩。
带有灰尘和金属屑的SMA连接器的图像,以及清洁后的图像
图3 :(左)一个SMA连接器的例子,其中污物和金属屑堆积在电介质上,(右)使用棉签和异丙醇清洗后的同一连接器。(图片来源:Digi-Key Electronics)

连接器维护

连接器应保持清洁。确保这一点的最佳方式是在不使用连接器时使用保护帽。如果连接器被污物污染,应该清洁。带有固体电介质的连接器可以用浸有异丙醇的无绒棉签进行清洁。小心避免弯曲中心导体引脚。同时清洁螺纹连接器的内部和外部螺纹也是一种很好的做法。不要在使用空气介质的连接器上使用棉签,因为用于固定元件的介质珠可能会被溶剂损坏。它们可以使用干燥的压缩空气进行清洁。

选择同轴连接器

选择同轴连接器时,首先需要处理所使用信号的带宽,然后考虑尺寸和机械配置(插头,插座,焊入,面板安装等)。例如,考虑1 GHz信号发生器的输出连接器。由于这是测试和测量信号源,所以BNC连接器是常见的选择。BNC的带宽大于1 GHz,可用作面板安装插座。安费诺RF型号31-221-RFX BNC插座是一个不错的选择。
当为超过10 GHz的频率信号选择连接器时,请考虑使用SMA连接器,如Amphenol SV微波 SF2950-6062或精密2.92 mm连接器,如Amphenol SV Microwave SF1521-60013。这种选择可能受到带宽和成本之间折中的影响。2.9毫米连接器的带宽大于SMA的两倍,但带宽优势几乎是成本的三倍。
如果尺寸是管理规格,请考虑连接器的耐用性。例如,Molex LLC MMCX插座0734152063的额定插拔次数为500次。的广濑电气有限公司 U.FL-R-SMT(10)是小的,但只能承受30次插拔。也可能存在显着的成本差异。

结论

本文回顾了射频同轴连接器的各种主要属性。它是设计人员为其设计选择合适连接器的良好起点。如图所示,选择看似简单的射频同轴连接器时,仔细查看工程要求非常重要。建议进一步咨询供应商的数据表以查看更详细的信息。

(责任编辑:ioter)

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