降低射频连接器电压驻波比的研究

缆连接器中，由于接口尺寸的差别，也不可避免地存在着导体截面尺寸由小变大或由大变小的过渡。为了把过渡段不连续电容引起的反射减至最小，通常有三种过渡方式：直角过渡、锥形过渡和抛物线过渡。后两种过渡方式由于加工复杂，精度难以保证而越来越少被采用。相反，由于加工方便，精度容易控制，在现行的连接器（包括精密型）中几乎都采用如图3所示的直角过渡型式。这种过渡的原理是通过错开内外导体直径突变的截面提高电感，补偿电容，使电路呈中性。这也是高抗补偿。

图3

错开距离a的数值如何精确计算？目前尚未查到严格推导的理论计算公式。人们普遍采用下列的经验公式：
（6）
K=3.09（对于50Ω空气线）或3.04（对于75Ω空气线）。当时，
（7）

对于各种不同的过渡尺寸，K=3.09是否都是最佳值？适用频率范围达多少？这是本研究的又一重要内容。利用高精度驻波电桥和精密终端负载，取D=7，改变D1和a，对五种不同过渡比的转接器进行驻波比测试。尽管试验是初步的，但其结果颇能说明问题：

（1）取K=3.09，在FD1＜4GHz·cm的范围内，驻波比可小于1.05。这个经典结论无疑是正确的。
（2）对于不同的过渡比，K=3.09只是折衷值，未必都是最优值。K即a的数值对驻波比影响是极为敏感的。
（3）当K的数值最优时，对于同一给定的驻波比界限，可使工作频率范围大大拓宽，远远超过4GHz·cm。

因此，必须通过精心试验找出K的最优值并对过渡尺寸a严格控制，才能试制出宽频带低驻波比的连接器或转接器。

3. 连接器与电缆结合部的设计考虑

在连接器与电缆的结合部，通常也存在着导体直径尺寸突变的情况。此外，对于配接广播电视系统和微波工程中广泛使用的皱纹管电缆的连接器来说，还存在着导体形状的变化问题，即由光滑导体变为螺旋或圆环皱纹管状导体。这是这类连接器的特殊问题。如何计算皱纹管导体的有效直径？通常有两种算法，一种取算术平均值，另一种取几何平均值。哪一种准确？本研究为此进行了一些试验，结果表明，电缆皱纹管内导体的等效外径比其算术平均值大5～7%，而皱纹管外导体的等效内径比其算术平均值小2～3%。

为了获得最佳的驻波比性能，应使连接器和电缆的导体直径尺寸尽量接近。对于不可避免的导体直径突变，可按前述方法给予补偿。传输线导体形状由光滑变成皱纹时会不会引起附加的不连续电容？这个问题有待进一步研究。

4. 内导体连接间隙的控制

在射频连接器转接器中，导体的连接间隙是无法削除的。为不损坏连接器，降低成本，通常的设计是保证外导体连接间隙为0，允许内导体上存在一个连接间隙。这个间隙会引起附加反射，其容许值取决于驻波比性能要求。

理论分析计算和试验结果表明[6]，对于L16型同轴连接器，0.5mm的内导体连接间隙在10GHz时可能引起1.09的驻波比，在17GHz时可能引起1.15的驻波比。这是不容忽视的数值。可见为了在10GHz以上获得低驻波比性能，必须严格控制连接器或转接器的内外导体轴向尺寸公差。

5. 导体尺寸公差和介电常数偏差的影响

导体尺寸公差和介质相对介电常数的偏差都会引起连接器特性阻抗偏差。对于50Ω空气线：

（8）

对于50Ω的介质线，

（9）

以IF45型分米波连接器为例，设内导体尺寸公差为±0.05，外导体尺寸公差为±0.1，△ε=±0.1，则空气段的阻抗偏差为±0.65Ω，介质段的阻抗偏差为±1.66Ω，由此引起的电压驻波比分别为1.013和1.033。可见，为了获得低驻波比，必须适当控制导体尺寸公差精度，尤其要注意介质相对介电常数的设计值与实际值的良好吻合。

四、设计宽频带低驻波比连接器的基本原则

设计宽频带低驻波比连接器必须遵循以下三个基本原则[3]：

1. 不要企求用提高或降低一段传输线的特性阻抗来补偿导体直径突变、导体槽缝或间隙等引起的不连续电容。为了获得最佳的宽带性能，通常应使连接器的每一长度单元上尽可能保持一致的特性阻抗。

2. 应首先使未被补偿的不连续电容减至最小，然后，对于每一个不可避免的不连续电容采取单独的共面或高抗补偿，并通过分离试验力求获得最佳效果。

3. 应通过结构设计或表面处理把机械公差、磨损和介质材料对驻波比的影响减至最小。
这三个原则有时会有矛盾，只能根据需要和可能折衷考虑。

五、结束语

研制低驻波比特别是精密型同轴连接器是一件很艰巨的工作，必须灵活应用原则，不断进行科学试验方能奏效。就驻波比研究本身来说，也还有大量的工作（包括测试方法的研究）可做。愿本文的发表能对这项工作起到促进作用。

作者：陈天