一文搞懂微波射频接插件的优化

射频/微波接插件很小并且经常被忽略，但它们可以作为许多电子设备和系统的网关，将组件和系统连接在一起以实现正确的操作。同轴射频接插件通常被认为是理所当然的，直到失败。它们有助于许多电子设备和系统的运行，从蜂窝电话和无线数据网络到最先进的雷达和电子战（EW）系统。无论是设计还是简单维护电子设备和系统，了解RF /微波接插件的作用都可以帮助提高性能和可靠性。

在研究有关接插件的技术细节之前，可能有助于回顾他们的一些历史。接插件有多种形状和尺寸。它们用于各种电子设备，从音频到毫米波频率。接口尺寸，机器容差，材料，甚至是这些材料上的电镀和表面处理，都有助于提高接插件的性能和可靠性。同轴接插件设计用于安装在同轴电缆的末端，印刷电路板（PCB），面板上以及许多不同的电子元件和器件封装上。为什么有这么多不同类型的同轴接插件和适配器在很大程度上是RF /微波历史和高频技术发展的问题。随着更高频率应用的不断发展。

任何组装有线电视（CATV）系统及其F型接插件/电缆组件的人都会体会到电接插件的便利性，而不必知道其电气和机械效益。首先，使用同轴接插件可节省时间和精力。在使用同轴接插件组装诸如放大器和滤波器之类的组件时，通过配对公头（插头）和母头（插座）接插件对连接两个部件比焊接或硬连线两个部件之间的连接更简单和更快。而且大多数耦合接插件可以在需要时轻松脱离，以简化系统内的组件维护。

目前正在使用的同轴接插件的数量主要取决于在满足对诸如语音，视频和数据通信等应用不断增长的需求所需的RF /微波频率下使用的扩展频带数量。小的接插件尺寸通常转化为更高的工作频率。目前，同轴接插件设计可用于直流至125 GHz的频率范围。射频/微波同轴接插件配置包括用于端接同轴电缆的直角和直角版本，用于设备面板和元件封装，端部发射，直角或垂直PCB接插件的隔板和法兰安装接插件，甚至推动 – 用于难以触及的电气连接的接插件。但在第二次世界大战之前，UHF接插件的频率范围约为DC到300 MHz，

多年来，UHF接插件为300MHz左右的应用提供了可靠的服务。（图1）但是随着第二次世界大战以及新兴工防需求，包括通信和雷达系统在内的更高频率应用，UHF接插件（非恒定阻抗）显然不适用于更高频率的应用。20世纪40年代早期，联合美国陆地部队工防射频电缆协调委员会（ANRFCCC）成立，旨在制定用于通信无线电和雷达系统的同轴电缆，接插件和刚性高频传输线的电气和机械标准。委员会的目标和发现后来被纳入武装部队电子标准局（ASESA），最终被包含在工防电子供应中心（DESC）中，

1942年，ANRFCCC推出了带有螺纹连接螺母和空气接口的N型接插件。新接插件以贝尔实验室的Paul Neill命名，同时也是ANRFCCC的成员。H型接插件的高压版本N型接插件后来被释放，然后是带有扭锁连接机构的C型接插件，用于快速连接和断开连接。它的发明者是安费诺公司的卡尔康塞尔。较小的同轴接插件将包括由Neill和Concelman开发的卡口式BNC和螺纹TNC接插件。

N型接插件最初是由美国工防舰艇局编写的规范所涵盖的，最终工防规范MIL-C-71直到MIL-C-39012，于1964年颁布以控制工防N型接插件的规格。早期的N型接插件存在许多缺点，促使工业供应商在尝试提高性能时修改尺寸。开发了许多接口变体，特别是测试和测量公司的仪器应用，使N型性能达到约18 GHz。但通用型N型接插件的性能达到约11 GHz，在MIL-C-39012的工防应用中有所规定。

目前，更流行的同轴射频/微波接插件之一是超小型A型或SMA接插件。它始于1958年Bendix研究实验室的James Cheal设计的Bendix真正微型（BRM）接插件，并最终成为Omni-Spectra（现为M / A-COM Technology Solutions）工作结果的SMA接插件，它进入他们的Omni Spectra微型（或OSM）接插件。SMA接插件最初用于0.141英寸直径的半硬同轴电缆，电缆的中心导体用作接插件的中心引脚。稍后将修改为使用柔性电缆，使用直接焊接到电缆中心导体的中心引脚。1968年，SMA接插件被纳入MIL-C-39012规范，其中它被称为超小型A或SMA接插件。SMA接插件的标准版本可以很容易地从DC运行到18 GHz，精确版本可用于DC到26.5 GHz。

接插件对通过不同的耦合技术进行匹配，包括扭转或卡口锁定，卡入式固定装置和螺纹连接。如表格所示，大多数接插件采用螺纹连接，包括N型和SMA接插件。某些接插件（例如SMB接插件）使用搭扣配合技术。BNC接插件采用了早期独特的匹配方法之一，其典型频率范围为DC至4 GHz，可以为50或75Ω应用制造。通常在低功率信号发生器，示波器和其他测试设备中发现，BNC采用卡口式固定环，可实现简单的配合，但也提供可靠和可重复的电气连接，并有助于防止意外断开，特别是在高振动环境。BNC在母接插件上配有两个卡口式接线片，并且只需四分之一圈的正向配合所需的联接螺母即可快速连接和断开连接。不幸的是，当标准BNC受到4 GHz以上的EM辐射时，这种耦合方法在较高频率上有其缺点。TNC接插件是超过4 GHz的BNC接插件的螺纹版本，除联轴螺母和配合表面外，共享所有接口尺寸。

许多故事声称说明这个接插件的三字母缩写的起源，包括英国工防接插件和卡口节点接插件。但是，作为接插件大师尼尔和康塞尔曼的另一个创作者，最有可能的全名是Bayonet Neil-Concelman接插件。BNC接插件适用于尺寸从RG-174 / U到RG-213 / U的电缆，包括常用于闭路电视（CCTV）系统的RG59 / U同轴电缆。它们的耦合机制的确定性和安全性也使它们成为医疗电子设备的流行候选者。其规格涵盖了国际电工委员会（IEC）标准IEC60169-8和MIL-C-39012。

根据美国联邦通信委员会（FCC）要求严格控制的天线和替代品不得超过规定的功率等级和/或工作带宽，这受FCC第15部分独特的接插件要求的限制。通过结合反向极性接口（在不同性别的中心导体相反的情况下）或通过在接插件上使用反向螺纹，可以确保使用第15部分兼容接口或耦合的组件不会与标准接插件及其组件配对。反极性/反向螺纹方法可用于各种同轴接插件类型，包括N型，BNC，TNC，MMCX，SMB和SMA接插件。

高频接插件阻抗通常为50或75Ω。最大功率传输阻抗值为30Ω，理论最小衰减阻抗为77.5Ω。高频接插件代表这两个值之间的妥协，因为它们的平均值约为50Ω。（图2）当需要长时间的传输运行时，如CATV系统中的最小衰减，对优化功率传输的关注较少，因此较高阻抗的75Ω接插件通常用于这些系统。

同轴接插件按性别区分：插座或母头接插件和插头或公头接插件。具有公母配置的标准接插件连接成对配对。公触点是一个引脚，母触点是一个插座。同轴适配器可以连接同一性别的接插件，或者减轻昂贵测试仪器上使用的精密接插件的磨损。这种适配器通常被称为接插件保护器，因为它们与测试接插件配合，并且还为要测试的电缆组件或同轴部件提供配合端，从而将磨损放在适配器而不是精密接插件上。

性别化接插件可以是共面的（图3）或非共面的（图4），并且通常在内导体和外导体中都是性别匹配的，如类型N和SMA接插件。对于共面接插件，中心导体和外部导体匹配在同一平面内（如SMA接插件）。对于非共面接插件，中心导体与外部导体不匹配（例如N型，BNC和TNC接插件）。同轴接插件可采用空气或固体电介质设计，聚四氟乙烯（PTFE），Delrin®或热塑性塑料可用作常见的固体介电材料。空气作为最佳电介质，然后是PTFE，然后是Delrin。具有固体电介质的接插件可以齐平或具有重叠配置，75ΩBNC和50ΩSMA和SSMA接插件可以是齐平接插件配置的示例。

建筑材料比较

RF Industries等主要供应商提供各种同轴接插件和适配器，其中包括SMA，N型，7/16 DIN，QMA和3.5 mm接插件。如前所述，不同的接插件提供不同的功能和优势，包括尺寸，频率范围和功率处理能力。但是，RF Industries还提供一些接插件，例如SMA或N型接插件，可选择不同的材料，例如黄铜或不锈钢基材，以及各种表面处理，包括金，银，镍，白青铜和钝化。但为什么这么多的选择？

这可能有助于比较一些用于构建同轴接插件的不同金属，以了解它们在接插件性能方面的优缺点。接插件的材料可以根据其机械，电气和环境特性以及材料通过焊接，卷边或其他工艺与其他材料连接的程度进行评估。选择的材料应该具有良好的导电性，最小的电阻，良好的机械加工性能，良好的稳定性和良好的硬度，以承受重复的连接循环，并且磨损和性能下降最小。许多金属都会受到表面腐蚀的影响，这会随着时间的推移而降低电气性能，因此只能使用合适的金属。

例如，不锈钢是含少量铬的钢合金。在暴露于潮湿环境中时不会生锈或腐蚀。这是一种非常耐用且经常用于接插件外壳的坚硬材料，但由于其硬度和较低的导电性，不适用于接触部件。成本高于青铜或黄铜，但具有高稳定性，高耐用性和出色的耐腐蚀性，可在各种操作环境中实现高可靠性。不太耐用但成本较低，黄铜也用于接插件外壳以及接插件触点。它基本上是一种易于加工的铜锌合金，比不锈钢柔软得多。它是热量和电力的绝佳导体，

接插件部件出于各种原因镀有不同的金属，包括：改善导电性和导热性，改善导体之间的接触，甚至改善部件的可焊性或可焊性。贵金属，其中金和银，往往是优秀的导体，并且它们耐腐蚀，但这些是昂贵的材料，所以在制造接插件时，在其他金属上使用薄层。这使得可以在尽可能少地使用材料的同时利用电镀金属的电性能和热性能。

例如，金是一种优秀的导体，它具有非常好的抗氧化性。它大大提高了由铜或黄铜制成的接插件部件的导电性。但由于其成本较高，金被镀成薄层，有时会受到扩散或磨损金表面的影响。为了使金扩散最小化，镍（有时为铜）被用作金层下的底镀层。

银也是一种很好的电气和热导体，但比黄金便宜。它还可以镀在铜和黄铜等材料上以提高其电气性能，可承受高损耗的高电流负载，并且特别擅长将高功率级别的PIM降到最低。但是，与黄金一样，白银也有其缺点，其主要缺点是当暴露于某些污染物（包括硫基材料和臭氧）时其倾向于变色。幸运的是，钝化可以将变色的影响降至最低。钝化可能意味着不同的事物，通常是指将保护性氧化层恢复到金属表面的过程，使其更能抵抗锈蚀和腐蚀。

这些是同轴接插件制造中使用的一些金属，并且RF Industries使用它们来构建高性能SMA，N型，7/16 DIN，QMA和3.5 mm接插件。该公司的SMA和N型接插件可提供不锈钢或黄铜外壳，有多种涂层类型。SMA接插件可以具有钝化，镍或金涂层，而N型接插件可以钝化或镀镍，银或白青铜。白色的青铜色饰面提供了银的替代品，没有玷污问题，也没有镀镍的PIM诱发倾向。7/16 DIN接插件的特点是带有银色或白色青铜色表面的黄铜体，QMA接插件使用黄铜和白色青铜色表面，3.5毫米接插件由303不锈钢制成，具有钝化表面以防止腐蚀。在有选择的情况下，低成本（黄铜）和更高的性能和使用寿命（不锈钢）之间往往是明显的折衷。但特定应用的需求可能并不那么明显，并且需要说明者联系技术支持，以便选择基材和表面处理的最佳组合的同轴接插件。

按规格排序

选择接插件可以很简单，只要匹配系统中已经使用的接插件类型，或者像评估一组设计要求一样复杂，以找到最符合要求的接插件。指定用于任何RF /微波设计的同轴接插件的起点是频率范围，因为任何接插件选择必须为应用提供足够的带宽。如表格所示，同轴接插件可用于许多不同的频率范围，某些宽带，以及毫米波频率范围。大多数应用需要特征阻抗为50Ω的接插件，但对于那些以75Ω工作的系统，可使用多种接插件类型，包括BNC和TNC接插件，通常用于3 GHz以下的应用。

在电气上，同轴接插件通过许多不同参数进行评估，包括作为频率函数的最大插入损耗（IL）和最大驻波比（VSWR）。配对接插件对的IL仅为10log10（PR / PT），其中PT是传输（或应用于接插件）的功率，PR是损耗后从接插件接收的功率。可以从简单的关系中找到配对接插件对的最大IL作为频率F（以GHz为单位）的函数：

额外的同轴防水接插件电气参数包括最大工作电压（VDC），绝缘电阻（MΩ），绝缘耐压，工作温度范围和工作寿命，最大插拔次数。某些接插件（如7/16 DIN接插件）设计用于低失真性能，尤其是低无源互调失真（PIM）。高PIM可能会影响依赖于数字调制格式的通信系统的性能，而这些特殊特征的接插件可以确保最小的接插件PIM级别。PIM特性通常也适用于任何同轴电缆，并将接插件视为系统电缆组件的一部分。

所有接插件都具有有限的工作寿命，并且任何接插件的工作寿命均由插拔次数指定。无论设计多么好，接插件最终都会磨损，并且其性能会随着使用时间的延长而降低。连接和断开会导致任何接插件磨损。

一些接插件类型与其他接插件兼容，这种特点可以在某些测试和测量应用中很好地发挥作用。例如，SMA接插件倾向于与2.92和3.5毫米接插件兼容，但它们可能无法提供这些较小接插件的全部频率范围。带有空气电介质的不锈钢接插件通常设计为500次插拔，而大多数SMA接插件的插拔次数较少。然而，较小的较高频率的接插件，例如2.4,1.85和1mm接插件，不与SMA接插件交叉配合。特别是对于测量应用，通过使用扭矩扳手并保持标准扭矩（如8至12英寸 – 磅）可以实现不同（尽管兼容）接插件类型之间的重复性。对于大多数射频/微波接插件。

像RF Industries这样的接插件供应商使用具有宽带RF /微波信号发生器的微波矢量网络分析仪（VNA）系统将其接插件表征为配对，以通过配对接插件对测量正向和反向功率电平（即，发射和反射）。额外的测试设备，如宽带功率放大器，也用于评估通过接插件的最大功率水平。

设计人员应该知道，某些接插件供应商提供三种不同等级的接插件：商业级（用于标准元件的生产和通用），通用精度等级（用于仪器和测试设备）和实验室精度等级（用于校准和测量标准）（图6）。在许多情况下，这些不同等级的同轴接插件中的一种可满足某些要求苛刻的应用所要求的更严格的公差。

设计工程师应该让他们的电气和机械要求清单（包括频率范围，插入损耗，VSWR以及工作温度，冲击和振动方面的性能）帮助指导他们选择同轴接插件。除了频率起始电气点，IL和VSWR外，技术指标不仅要考虑需要多少次插拔次数，还要考虑冲击，振动和工作温度对接插件对系统性能贡献的影响。另一个考虑因素是哪种特殊接插件配置（例如压接，夹具，PCB或面板安装接插件）可能适用于特定应用。不要忘记，考虑到特定同轴接插件选择的不同优势时，成本也应该考虑在内。

作为运行至10 GHz的设计的选择过程的一个示例，考虑的接插件将包括基于其工作频率范围的N型和SMA接插件。两者都是50Ω接插件，具有出色的电气特性。N型接插件在10 GHz时最大驻波比约为0.2 dB，最大驻波比为1.30：1。SMA接插件具有相同的IL性能，在10 GHz时最大VSWR约为1.25：1。两者的额定最小插拔次数均为500次，工作温度范围宽达-65至+ 165°C。较大的N型接插件在比SMA高的电压和功率下实现较低的射频泄漏，-80dB，而SMA为-60dB。N型接插件的额定工作电压更高，约为1500 V，而SMA的最大值为500 V。在这种比较的情况下，对于高电压和低射频泄漏的系统要求将会选择N型接插件。另外，当接插件被视为电缆组件的一部分并且诸如功率处理性能（诸如用于发送器应用）的性能参数是关键考虑因素时，它将受到接插件（ s）和电缆。（有关指定同轴电缆组件的更多信息，请参阅RF Industries即将推出的免费白皮书。）它将受到接插件和电缆组合的限制。（有关指定同轴电缆组件的更多信息，请参阅RF Industries即将推出的免费白皮书。）它将受到接插件和电缆组合的限制。（有关指定同轴电缆组件的更多信息，请参阅RF Industries即将推出的免费白皮书。）

综上所述

同轴接插件的范围从DC到毫米波频率，适用于125 GHz的射频/微波应用。一些高频接插件随着尺寸的减小而增加成本。接插件可以从商业级到高精度等级使用。然而，通过仔细考虑应用程序的需求，可以发现正确的接插件最适合该接插件与该应用程序的权衡。

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