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射频连接器中绝缘子设计方法的改进
日期：2024-05-19 07:10
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摘要：
1 射频连接器的设计原理
射频连接器设计主要包括三个方面：a.头部配合尺寸的选取；b.连接器内外导体与电缆内外导体之间的机械和电气连接，包括一系列的过渡尺寸的确定；c.连接器内部因直径突变而导致的补偿结构的确定。连接器头部可根据需要参照相关的标准规范确定其标准接口尺寸。连接器内外导体与电缆内外导体的机械和电气连接要在保证每一截面上的特性阻抗为50Ω的基础上，遵从“直径渐变”原则并保证连接的稳定、可靠。补偿结构的确定是设计射频同轴连接器的关键所在。
为使连接器在其截止频率范围内保持优异的VSWR性能，在设计连接器的结构尺寸时，必须遵循三个基本原则：a.尽量减少阻抗不连续性；b.在每个截面上尽可能保持一致的特性阻抗，将其偏差控制在±0.5Ω之内；c.对于每一个不可避免的阻抗不连续性采取共面或高抗补偿。在电缆内外导体与连接器内外导体的连接中，不可避免地存在着直径变化。由于导体直径的阶梯突变，破坏了电磁场分布的均匀性，从而导致了阻抗而不匹配。根据电磁场理论可知，在导体直径的突变处，相当于在均匀传输线中并联上一个不连续电容。连接器的绝缘子起着固定连接器内外导体的作用，并能防止插针或插孔的轴向移动，同时通过对绝缘子尺寸的合理设计，使绝缘子处的感抗正好能补偿内外导体直径变化引起的不连续电容，起到高抗补偿的作用，从而减少电信号在传输过程中的反射，*终达到减小VSWR的目的。实验测试数据表明，绝缘子的补偿间隙直接影响着电缆组件VSWR的大小，因而成为射频连接器设计的关键之一。
2 绝缘子高抗补偿间隙的经验计算
在射频连接器结构中，理想情况下特性阻抗Z。但由于内外导体直径不可避免地存在着同时同向突变的状况，使内外导体之间产生了电容Cd，相当于。为了使Z'c=Zc，就要设法产生一个电感，一般可采用使内外导体直径突变处错开一段距离△的方法（错开处可由空气或固体介质作为绝缘），用来补偿由内外导体直径突变引起的不连续电容，这就是以往用得很多的高抗补偿法。高抗补偿主要通过对绝缘子间隙的设计来补偿不连续电容，使间隙段的电感与由电缆、连接器两者内外导体直径变化引起的不连续电容匹配，从而使整个间隙段达到50Ω特性阻抗值，在整个截止频率范围内获得优异的VSWR。
传统的绝缘子高抗补偿间隙△的经验计算公式是：（1）（2）,式中D1为较小的外导体直径，D2为较大的外导体直径；ε为此处介质的介电常数。在设计射频连接器的过程中，我们可以根据（1）或式（2）初步得出绝缘子高抗补偿间隙的大概值。根据SMA-J824型连接器所接电缆的尺寸，D2/D1=1.11，所以式（1）比较适合计算绝缘子的高抗补偿间隙。由式（1）得到△为0.2mm。但是，按这个尺寸加工的连接器，经装配成电缆组件后测试验证，其性能远远不能满足高频、宽带下的VSWR要求（见图1）。从图中可见，当补偿间隙为0.2mm时，整个频带内的VSWR都不理想。这是因为，式（1）和式（2）未考虑到频率对VSWR的影响。因此，光靠传统的高抗补偿间隙的经验公式来设计射频连接器已不能满足高频、宽带下的VSWR要求，还需要借助于改进的设计方法理一步降低VSWR。
图1 △=0.2mm时的VSWR
3 改进的绝缘子补偿间隙设计方法
由内外导体同时同向突变而引起的不连续电容Cd可看作是内导体直径突变引起的不连续电容Cd1和外导体直径突变引起的不连续电容Cd2的并联，如图4所示，显然，Cd=Cd1+Cd2。
（1）内导体直径突变
计算内导体直径突变引起的不连续电容时，假定外导体的直径是不变的，如图2所示。内导体直径突变引起单位圆周长度上的不连续电容C'd1可用下列近似公式计算：（3）式中，d1，d2分别为变化前后的内导体直径，d3为外导体直径，ε为此处介质的介电常数。则因内导体直径突变引起的不连续电容Cd1为：Cd1=πd3C'd1(α1，τ1)（F（4）
（2）外导体直径突变
计算外导体直径突变引导起的不连续电容时，假定内导体的直径是不变的，如图3所示。外导体的直径是不变的，如图3所示。外导体直径突变引起单位圆周长度上的不连续电容C'd2可用下列近似公式计算：C'd2=C'do+6.2×10-15·(1-α2)2(τ2-1.4) (F/cm)（5）（6）图2 内导体直径突变式中；d1为内导体直径，d2，d3为内导体直径，d2，d3分别为变化前后的外导体直径，ε为此处介质的介电常数。
则由外导体直径突变引起的不连续电容为Cd2：Cd2=πd1C'd2(α2,τ2) （F）（7）图3 外导体直径突变
（3）内外导体直径同时同向突变
内外导体直径同时同向突变引起的总不连续电容等于内外导体直径突变引起的不连续电容的并联，即Cd=Cd1+Cd2，如图4所示。以SMA-J824型连接器为例，可算得Cd为2.281×10-14F。图4内外导体直径同时同向突变,国外连接器的设计不仅用绝缘子补偿间隙来补偿不连续电容，还可以使绝缘子处的阻抗略高于特性阻抗值加以补偿。由这种结构可推断出，绝缘子补偿间隙引起的电感和高于特性阻抗值的阻抗应该能补偿由内外导体直径突变而引起的不连续电容，使此处的特性阻抗尽可能等于标称值，从而降低连接连续器的VSWR。使绝缘子处阻抗略高于特性阻抗值，可以通过减小绝缘子的介电常数，即通过在绝缘子中增加空气来实现。SMA-J824型连接器的补偿阻抗ZH取52Ω，根据特性阻抗计算公式（8）式中D为外导体内径，d为内导体外径。从中计算出在高特性阻抗ZH下引入空气后的等效介电常数εe，εe=1+(ε-1)V1/V。由εe值可以得出绝缘子固体介质的直径尺寸，其中，V是绝缘子的总体积，V1是绝缘子中固体介质的体积，ε是固体绝缘子的介电常数。*后，补偿间隙可以按下式计算：（9）式中fc为截止频率，λo为中心波长，Zc为特性阻抗，ZH为补偿处的阻抗，εe为引入空气后绝缘子的等效介电常数，Cd为不连续电容，由式（9）可得△=1mm。
为了进一步获得优良的VSRW性能，除了补偿间隙为1mm的绝缘子外，还加工了阻抗为52Ω，高抗补偿间隙分别为0.8mm、12.mm、1.5mm的绝缘子做试验。选取一些阻抗均匀的电缆作为装配组件用电缆，以使电缆对组件的影响*小，并假设装配工艺稳定一致，从而忽略电缆和装配技术对电缆组件性能的影响，由此判断连接器的结构对电缆组件的电性能的影响。把每一具有不同补偿尺寸绝缘子的连接器各装配成1m的电缆组件，测试结果表明，阻抗值取52Ω、绝缘子高抗补偿间隙分别为1.2mm 的VSWR*小，如图5所示。同时，为了便于研究，同样加工了阻抗为54Ω、高抗补偿间隙分别为0.8mm、1mm、1.2mm和1.5mm的绝缘子，并用上述相同的方法对电缆组件进行了测试。测试结果表明，阻抗为54Ω、绝缘子高抗补偿间隙为0.8mm时的VSRW*小，如图6所示。表1列举了在0.04~18GHz频率范围内，连接器在不同绝缘子处阻抗值和高抗补偿间隙时的1m电缆阻件的VSWR*大值（忽略可能由电缆引起的高峰）。从表1可知，VSWR对绝缘子的高抗补偿间隙和阻抗值是敏感的。图5 RH=52Ω, △=1.2mm时的VSWR,图6 RH=54Ω, △=0.8mm时的VSWR
除了以上产品外，公司同时还供应有气动隔膜阀、PVC、电动执行器等产品，我们公司具备有*实战的技术,专业的运营团队,为您创造以用户体验为前提的服务，服务的至善至美是我们永无止境的追求。因为以民为本，所以值得信赖；因为专业专职，所以值得选择.以上信息仅供参考，详情请致电相关工作人员为您解答。
射频连接器设计主要包括三个方面：a.头部配合尺寸的选取；b.连接器内外导体与电缆内外导体之间的机械和电气连接，包括一系列的过渡尺寸的确定；c.连接器内部因直径突变而导致的补偿结构的确定。连接器头部可根据需要参照相关的标准规范确定其标准接口尺寸。连接器内外导体与电缆内外导体的机械和电气连接要在保证每一截面上的特性阻抗为50Ω的基础上，遵从“直径渐变”原则并保证连接的稳定、可靠。补偿结构的确定是设计射频同轴连接器的关键所在。
为使连接器在其截止频率范围内保持优异的VSWR性能，在设计连接器的结构尺寸时，必须遵循三个基本原则：a.尽量减少阻抗不连续性；b.在每个截面上尽可能保持一致的特性阻抗，将其偏差控制在±0.5Ω之内；c.对于每一个不可避免的阻抗不连续性采取共面或高抗补偿。在电缆内外导体与连接器内外导体的连接中，不可避免地存在着直径变化。由于导体直径的阶梯突变，破坏了电磁场分布的均匀性，从而导致了阻抗而不匹配。根据电磁场理论可知，在导体直径的突变处，相当于在均匀传输线中并联上一个不连续电容。连接器的绝缘子起着固定连接器内外导体的作用，并能防止插针或插孔的轴向移动，同时通过对绝缘子尺寸的合理设计，使绝缘子处的感抗正好能补偿内外导体直径变化引起的不连续电容，起到高抗补偿的作用，从而减少电信号在传输过程中的反射，*终达到减小VSWR的目的。实验测试数据表明，绝缘子的补偿间隙直接影响着电缆组件VSWR的大小，因而成为射频连接器设计的关键之一。
2 绝缘子高抗补偿间隙的经验计算
在射频连接器结构中，理想情况下特性阻抗Z。但由于内外导体直径不可避免地存在着同时同向突变的状况，使内外导体之间产生了电容Cd，相当于。为了使Z'c=Zc，就要设法产生一个电感，一般可采用使内外导体直径突变处错开一段距离△的方法（错开处可由空气或固体介质作为绝缘），用来补偿由内外导体直径突变引起的不连续电容，这就是以往用得很多的高抗补偿法。高抗补偿主要通过对绝缘子间隙的设计来补偿不连续电容，使间隙段的电感与由电缆、连接器两者内外导体直径变化引起的不连续电容匹配，从而使整个间隙段达到50Ω特性阻抗值，在整个截止频率范围内获得优异的VSWR。
传统的绝缘子高抗补偿间隙△的经验计算公式是：（1）（2）,式中D1为较小的外导体直径，D2为较大的外导体直径；ε为此处介质的介电常数。在设计射频连接器的过程中，我们可以根据（1）或式（2）初步得出绝缘子高抗补偿间隙的大概值。根据SMA-J824型连接器所接电缆的尺寸，D2/D1=1.11，所以式（1）比较适合计算绝缘子的高抗补偿间隙。由式（1）得到△为0.2mm。但是，按这个尺寸加工的连接器，经装配成电缆组件后测试验证，其性能远远不能满足高频、宽带下的VSWR要求（见图1）。从图中可见，当补偿间隙为0.2mm时，整个频带内的VSWR都不理想。这是因为，式（1）和式（2）未考虑到频率对VSWR的影响。因此，光靠传统的高抗补偿间隙的经验公式来设计射频连接器已不能满足高频、宽带下的VSWR要求，还需要借助于改进的设计方法理一步降低VSWR。
图1 △=0.2mm时的VSWR
3 改进的绝缘子补偿间隙设计方法
由内外导体同时同向突变而引起的不连续电容Cd可看作是内导体直径突变引起的不连续电容Cd1和外导体直径突变引起的不连续电容Cd2的并联，如图4所示，显然，Cd=Cd1+Cd2。
（1）内导体直径突变
计算内导体直径突变引起的不连续电容时，假定外导体的直径是不变的，如图2所示。内导体直径突变引起单位圆周长度上的不连续电容C'd1可用下列近似公式计算：（3）式中，d1，d2分别为变化前后的内导体直径，d3为外导体直径，ε为此处介质的介电常数。则因内导体直径突变引起的不连续电容Cd1为：Cd1=πd3C'd1(α1，τ1)（F（4）
（2）外导体直径突变
计算外导体直径突变引导起的不连续电容时，假定内导体的直径是不变的，如图3所示。外导体的直径是不变的，如图3所示。外导体直径突变引起单位圆周长度上的不连续电容C'd2可用下列近似公式计算：C'd2=C'do+6.2×10-15·(1-α2)2(τ2-1.4) (F/cm)（5）（6）图2 内导体直径突变式中；d1为内导体直径，d2，d3为内导体直径，d2，d3分别为变化前后的外导体直径，ε为此处介质的介电常数。
则由外导体直径突变引起的不连续电容为Cd2：Cd2=πd1C'd2(α2,τ2) （F）（7）图3 外导体直径突变
（3）内外导体直径同时同向突变
内外导体直径同时同向突变引起的总不连续电容等于内外导体直径突变引起的不连续电容的并联，即Cd=Cd1+Cd2，如图4所示。以SMA-J824型连接器为例，可算得Cd为2.281×10-14F。图4内外导体直径同时同向突变,国外连接器的设计不仅用绝缘子补偿间隙来补偿不连续电容，还可以使绝缘子处的阻抗略高于特性阻抗值加以补偿。由这种结构可推断出，绝缘子补偿间隙引起的电感和高于特性阻抗值的阻抗应该能补偿由内外导体直径突变而引起的不连续电容，使此处的特性阻抗尽可能等于标称值，从而降低连接连续器的VSWR。使绝缘子处阻抗略高于特性阻抗值，可以通过减小绝缘子的介电常数，即通过在绝缘子中增加空气来实现。SMA-J824型连接器的补偿阻抗ZH取52Ω，根据特性阻抗计算公式（8）式中D为外导体内径，d为内导体外径。从中计算出在高特性阻抗ZH下引入空气后的等效介电常数εe，εe=1+(ε-1)V1/V。由εe值可以得出绝缘子固体介质的直径尺寸，其中，V是绝缘子的总体积，V1是绝缘子中固体介质的体积，ε是固体绝缘子的介电常数。*后，补偿间隙可以按下式计算：（9）式中fc为截止频率，λo为中心波长，Zc为特性阻抗，ZH为补偿处的阻抗，εe为引入空气后绝缘子的等效介电常数，Cd为不连续电容，由式（9）可得△=1mm。
为了进一步获得优良的VSRW性能，除了补偿间隙为1mm的绝缘子外，还加工了阻抗为52Ω，高抗补偿间隙分别为0.8mm、12.mm、1.5mm的绝缘子做试验。选取一些阻抗均匀的电缆作为装配组件用电缆，以使电缆对组件的影响*小，并假设装配工艺稳定一致，从而忽略电缆和装配技术对电缆组件性能的影响，由此判断连接器的结构对电缆组件的电性能的影响。把每一具有不同补偿尺寸绝缘子的连接器各装配成1m的电缆组件，测试结果表明，阻抗值取52Ω、绝缘子高抗补偿间隙分别为1.2mm 的VSWR*小，如图5所示。同时，为了便于研究，同样加工了阻抗为54Ω、高抗补偿间隙分别为0.8mm、1mm、1.2mm和1.5mm的绝缘子，并用上述相同的方法对电缆组件进行了测试。测试结果表明，阻抗为54Ω、绝缘子高抗补偿间隙为0.8mm时的VSRW*小，如图6所示。表1列举了在0.04~18GHz频率范围内，连接器在不同绝缘子处阻抗值和高抗补偿间隙时的1m电缆阻件的VSWR*大值（忽略可能由电缆引起的高峰）。从表1可知，VSWR对绝缘子的高抗补偿间隙和阻抗值是敏感的。图5 RH=52Ω, △=1.2mm时的VSWR,图6 RH=54Ω, △=0.8mm时的VSWR
除了以上产品外，公司同时还供应有气动隔膜阀、PVC、电动执行器等产品，我们公司具备有*实战的技术,专业的运营团队,为您创造以用户体验为前提的服务，服务的至善至美是我们永无止境的追求。因为以民为本，所以值得信赖；因为专业专职，所以值得选择.以上信息仅供参考，详情请致电相关工作人员为您解答。
