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射頻連接器:不可忽視的重要射頻器件

發布時間:2025-02-04作者來源:金航標瀏覽:1247


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盡管射頻工程師不斷努力減少射頻連接器在射頻系統中的使用,但不可否認的是,射頻連接器在射頻系統中仍然占據著至關重要的地位。一套出色的射頻系統離不開射頻連接器的支持與貢獻。

無論是在射頻系統的內部,比如不同的板級之間的射頻信號的連接;抑或是射頻系統之間的連接,都離不開射頻連接器這個部件。

這篇文章就帶大家認識它,學習它,并且希望能夠掌握它。

№1
UHF連接器 到 Type-N 連接器
相對于很多連接器來說,射頻連接器還是比較年輕的器件,因為射頻這個行業到目前位置也不過百余年。
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1930年,也就是二戰前,UHF連接器的出現標志著射頻連接器的誕生。這種連接器的最顯著特點是插頭中間的一根較粗的中心導體(約4mm粗)。而連接和固定則采用接頭上的內螺紋與插座上的外螺紋 相互咬合的方式。這種插頭并沒有防水能力,所以在室外架設時應特別小心對雨水等自然條件的影響。這種連接器主要工作在100MHz及以下頻率使用。
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在1940年左右,貝爾實驗室的工程師 Paul Neill 為美國海軍設計了一種工作頻率更高的,具有防水功能射頻連接器,并以Neill的首字母N命名,也就是我們現在常用的N型連接器。
隨著射頻微波技術的發展,除了N型連接器之外,BNC型,TNC型等中型連接器相繼問世。下圖給出了這三種連接器的端面圖。
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1951年 General Radio 公司申請了第一款精密N型連接器的專利GR-874專利,專利號為2548457A,連接器結構如下圖所示。這款連接器結構簡單,并且可以工作到19.4GHz,是第一款被廣泛應用的射頻連接器。
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在1960年之后,出現了三款精密型連接器,分別為GR900(14mm),APC-7(7mm)和Dezifix連接器。GR900結構相對復雜,制造成本昂貴,并且工作頻率較低(8.5GHz),應用不是很廣泛;APC-7最早是由惠普的微波部門工程師Anthony Badger在1950年前后開發設計的,后來被賣給了安費諾,安費諾改進并推廣了這種連接器。
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惠普發明了APC-7型連接器,因此很多早期的惠普生產的網分也都標配的是APC-7型連接器,所以在使用網分校準的時候,一定要用適配的連接器。(這里簡單介紹一下,是德科技的前身是安捷倫電子測量業務部門,安捷倫的前身是惠普的測試測量部門和生命科學部門。)
Dezifix連接器的專利屬于羅德與施瓦茨,所以羅德與施瓦茨早期的一些儀器采用的都是Dezifix連接器。

№2
從SMA到3.5mm/2.92mm
與此同時,小型化和輕量化的射頻接頭的需求被提出。1958年,Bendix Research Laboratories的John Bryant, James (Jim) Cheal 和 Vincent (Vince) McHenry 開發了一種小型射頻連接器,命名為BRM。在1962年,他們三人離開Bendix后創辦了Omni Spectra,并改進了BRM 連接器,命名為OSM (Omni Spectra Miniature) ,其工作頻率一直可以到26.5GHz。而OSM還有一個更為廣泛認知的名稱就是SMA,開創了微型連接器的先河,因此 John,Jim和Vince三人還獲得了IEEE MTT-S微波先鋒獎。
下圖給出了常見SMA連接器的類型:標準SMA,反極性SMA。
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SMA連接器的內外導體之間有一個PTFE做成的絕緣子,PTFE是一種隨溫度變化的材料,因此SMA很難提供一個穩定可靠的阻抗值。惠普微波部門的電子工程師Larry Renihan設計了3.5mm連接器的原型,并且兼容SMA連接器,Steven Adm和他的同事在1976年發表的論文《A new 34-GHz 3.5-mm low-cost util ity coaxial connector featuring low leakage, low standing-wave ratio, and long life》詳細介紹了3.5mm連接器的改進型,該連接器采用空氣填充介質,實現了34GHz的超高工作頻率。
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1985年,Wiltron公司的射頻工程師Bill Oldfield開發了2.92mm連接器,將連接器的工作頻率推高到了40GHz,2.92mm連接器也被稱為K型連接器。并且從機械結構上來說,2.92mm連接器也是兼容SMA的。
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所以,如果單純的從機械結構上來說,SMA,3.5mm和2.92mm這三種連接器是有一定的兼容性的,如果單獨看,肉眼也分辨不出來他們的區別。
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但是,標準SMA的外導體直徑是4.13mm,3.5和2.92 連接器的外徑分別是3.5mm和2.92mm,其尺寸并不相同,相互連接也不是理想的,甚至可能會損壞連接器。
但是在實際使用中,射頻性能的下降也不是太明顯,偶爾互用一下也沒啥大的問題。

№3
從2.4mm到1.85mm再到1mm
從這個時候開始,負責連接器設計的射頻工程師們開始在更高頻率上下足了功夫,于是更小尺寸的連接器誕生了。
與此同時惠普公司的射頻工程師 Julius Botka設計了2.4mm連接器,直接將連接器的工作頻率推高到了50GHz,并且申請了專利,下圖介紹了2.4mm連接器的結構圖。
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不甘落后的Oldfield隨后開發了尺寸更小的射頻連接器——V 型連接器,也就是1.85mm連接器,將連接器的工作頻率進一步推高到67GHz,下圖給出了V型連接器的部分專利視圖。
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難能可貴的是,這種V型連接器的結構尺寸上是兼容2.4mm連接器的。類似于上文提到的SMA,3.5和2.92.
西安普科科技在文章中總結了這五款射頻連接器的結構兼容特性,如下圖所示。同學們在使用的時候要加以辨別。
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這還不是終點,在1989年,惠普公司設計并推出了外徑只有1mm的射頻連接器,這種連接器的工作頻率高達110GHz。
這肯定還不是終點,0.8mm,0.6mm甚至更小的連接器也會隨著需求而逐步問世,Bill Oldfield在審閱高于110GHz連接器設計時曾說:I have often said that all you have to do to make a higher frequency connector is divide by two。(我常說,要制造一個更高頻率的連接器,你只需要將尺寸除以二。)。
但實際上,往往不會這么簡單。
№4
連接器未來發展趨勢
Molex在《Predicting the Connectivity of Tomorrow》報告中深入探討了未來連接器的發展趨勢,并給出了四個市場驅動因素以及實例。
第一,更快的數據速率;
消費者期望的飆升、人工智能 (AI) 的日益普及和不斷發展的物聯網(IoT) 應用將推動對越來越多數據的需求。提高數據速率的壓力將持續存在,尤其是在瓶頸最嚴重的地方 - 數據中心內、邊緣附近或傳輸點。
第二,更高的功率吞吐量;
未來幾年可能會出現將能源從儲能站轉移到便攜式設備的新方法。隨著電動汽車 (EV)、家庭和可再生能源設施電池的激增,人們無將越來越渴望以可靠的方式將這些能源付諸行動——最好是按需使用。更高的功率是電動汽車快速充電的答案,但電壓升級需要在車輛和充電點進行連接性改革。新設計還需要解決安全風險和熱效應。
第三,更小的組件;
未來幾年,許多行業將繼續保持小型化趨勢,尤其是在射頻/無線設備、汽車、消費電子、數據中心和邊緣計算領域。設計人員將面臨創建具有更高特征密度的更小組件的持續挑戰 — 這是由用戶對更纖薄、更緊湊和越來越堅固的封裝中高性能不斷變化的期望所驅動的。
第五,非接觸性連接。
360 度旋轉工業機械臂的最佳連接器是什么?在未來幾年內,答案可能是“不存在”。非接觸式連接可以提供不受束縛的運動自由,同時消除了涉及重復手動配接和分離的任務。通過磁感應耦合在短距離傳輸電力和信號,在汽車、工業和消費電子等行業中具有數百種潛在應用。
盡管非接觸式連接仍然是一項新興技術,但與傳統的機械連接器相比,它最終可以提高可靠性、增加耐用性并降低成本。

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