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如何正确选择常用微波连接器

在许多射频和微波应用中,能否选择正确的连接器是非常重要的。正确的选择、使用和维护,可以延长连接器使用寿命,优化系统性能。而对于微波领域的新手来说,经常会遇到不同的微波连接器选择问题。


经常有人问:

在RF和微波领域会用到许多同轴连接器,每种连接器的设计都有着特殊的目的和应用。其中关键的一点就是能够保证最佳的性能和最大的重复连接次数。今天,咱们就来聊聊常见的高频微波接头相关知识,在这里,将找到您要的答案。


一. 介绍几种常见的微波连接器

1. N型连接器

N型连接器是在20世纪40年代为海军系统设计(命名来源:Navy),工作于5GHz以内。在1960s, 改进后的性能可以达到12GHz,后来发展到18GHz。


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           (Female和Male N型连接器)                   (面板用的Male和Female N型连接器)


2. BNC连接器

BNC连接器最初为军事应用所设计(被称为Bayonet Navy Connector),使用卡口式连接方式,连接迅速、接触可靠。工作频率可以到4GHz,被广泛应用于无线电设备、电子仪器、网络系统互联及军事应用等。

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(Female和Male BNC连接器)

3. TNC连接器

TNC连接器属于螺纹式BNC,因其有效的解决了BNC连接器信号泄露和接头稳定性问题,工作频率可以达到12GHz,广泛应用于移动电话微波/天线的连接。


图3.jpg


(面板用的 Female和Male TNC连接器)


4. SMA连接器

SMA连接器(Sub-Miniature-type A connector)20世纪60年代发展起来,由Bendix Scintilla 公司和 Omni-Spectra公司设计, 设计目的是用于半刚性线缆和器件的低频率连接。标准SMA连接器设计工作频率为12.4GHz, 较好的SMA可以用于18GHz甚至到24GHz。 部分厂家生产的特殊高质量的SMA连接器可以达到26.5GHz。 SMA连接器已经成是射频、微波领域最常用的连接器之一。但受限于其结构设计,使用寿命仅有几百次,适用于链接不频繁的场合。


图4.jpg

(Female和Male SMA连接器)                    (面板用的Male和Female SMA连接器)


5. SMB连接器

SMB连接器(Sub-Miniature B connector)是一种卡口式连接器,工作频率到4GHz。


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(Female和Male SMB连接器)


6. GPO连接器

GPO连接器工作带宽到40GHz,基于止动结构不同,插拔寿命从100~1000次不等。


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(Female GPO连接器)


7. GPPO连接器

GPPO连接器只有GPO连接器尺寸的30%,工作带宽至65GHz。


图7.jpg

(Female GPPO 连接器)


讲到这里,先聊聊精密SMA连接器的兼容性。

为了降低反射系数,提高连接性能,已经发展出了多种“精密SMA连接器”。 目前有两种基本结构(非真正的SMA连接器),一种是3.5mm(Wiltron WSMA),另一种是2.92mm(Wiltron K)


大家会有疑问??

在SMA和3.5mm和2.92mm连接器互相连接时,可能会有问题?什么问题呢?

那就是当male的SMA连接器插入3.5mm或2.92mm Female连接器时,有可能造成female连接器的损坏。

实际上,只要操作规范,3.5mm和2.92mm连接器的精密程度是可以保证连接器的安全的。但是,SMA Male连接器的精密度相对较差,特别是如果SMA Male连接器接入时没有很好的放正、放直,或SMA Male连接器的针太长,将会严重损坏3.5mm或2.92mm Female连接器。这一点是特别要注意滴。


特别提醒:

在使用SMA Male接头的线缆时,特别是半刚性的线缆,如果在靠近接头的地方弯曲,会导至SMA Male连接头内针的长度的变化,即便使用了“连接保护器”(即转接头),也会推动连接器中的针,从而导致与这根线缆连接器互连的3.5mm或2.92mm female连接器的损坏。


图例说明如下:


弯曲之前:

图8.jpg


弯曲之后:中心的导体突出


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因此,当使用SMA Male连接器与“精密SMA female连接器(3.5mm或2.92mm)”互连时,一定要保证SMA Male连接器生产厂家的专业性,且接入时一定要保证Male连接器方向正且直的接入。


8. 3.5mm连接器

3.5mm连接器是最先由美国Hewlett Packard(HP公司,现在的Agilent)研制开发,尺寸和规格上与SMA一致,不同的是在接头中使用了空气介质, 工作频率到34GHz。物理接口相对SMA更坚固耐用,可实现数千次重复连接。 因其外导体内径为3.5mm,从而被命名为3.5mm连接器。


图10.jpg图11.jpg

(Female 和 Male 3.5mm连接器)


9. “K”和2.92mm连接器

“K”连接器是由Wiltron公司(现在的Anritsu公司)在1983年开发设计,同时命名为K(工作频率覆盖微波波段的K波段),因其外导体内径为2.92mm,被称为2.92mm连接器。K连接器可以与SMA、3.5mm和其它的2.92mm连接器(如HP 2.92mm)相互连接,工作频率为40GHz,可用到46GHz。有些厂家也称此连接器为2.9或SMK连接器。


图12.jpg图13.jpg

(2.92mm Female和Male 连接器)


10. 关于2.4mm 和 1.85 mm 连接器结构

2.4mm和1.85mm结构尺寸是为了超过SMA接口工作频率限制而设计,与SMA接口机械不兼容。这种连接器与SMA系列连接器最直观的区别就是中心导体与外部导体间的空隙更小。但是,对于2.92mm和2.4mm连接器,如果不放在一起对比,区分两者时会有点困难。不过,由于这两类连接器机械结构不兼容(螺纹的尺寸和间距不同),可以尝试使用标准的SMA Female或Male连接器与未知的连接器互连,用于判断此未知连接器属于SMA兼容的连接器或是2.4/1.85连接器。


图14.jpg

(Male 2.92mm连接器)


11. 2.4mm连接器

2.4mm连接器是20世纪80年代由HP、Amphenol和M/ACOM共同开发设计,运用于50GHz应用(因其工作波段覆盖微波的Q波段,也有人称其为Q连接器)。2.4mm连接器通过增加外壁厚度和强化插槽消除了SMA和2.92mm连接头脆弱性问题。由于其外导体的内径为2.4mm,被称为2.4mm连接器。基于不同的应用场景,2.4mm连接器又分为三种质量等级,分别为通用级(价格低,重复性低、寿命有限,用于部件、电缆中)、仪表级(重复性好、寿命长,在测量中使用)、和计量级(高性能、高重复性,适用于校准)。


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(Female 和Male 2.4mm连接器)


由于2.4mm连接器和SMA、3.5mm、2.92mm连接器的机械结构不兼容,需要使用精密的转接头来与其适配连接。举例如下:

图16.jpg  图17.jpg



12. 1.85mm连接器

1.85mm连接器是由20世纪80年代由HP开发设计,工作频率到 65GHz,1988年公开其标准以推动此类连接器的标准化。此连接器外导体的内径为1.85mm,可与2.4mm连接器直接机械互连,但不能与SMA系列连接器直接机械互连。


图18.jpg


13. V连接器

V连接器是Wiltron/Anritsu公司于1989年设计开发的另外一种连接器,使用了HP公司的1.85mm结构标准,可以与2.4mm连接器直接互连。


关于1.0 mm 连接器结构

现代毫米波行业的工程化及测试仪表的需要,已经推动其测试带宽到W波段(70~110GHz),而且要求不需要切换到波导。1.0mm连接器结构的出现,满足了这种需求。其外部导体的内径非常小,仅仅1.0mm。

14. 1.0mm连接器

1.0mm连接器,诞生于20世纪80年代末,由HP(Agilent)开发设计,工作带宽到110GHz。实验室的技术人员和工程师已经开始把1.0mm连接器应用于毫米波分析。这类连接器也经常被用在半导体探针平台,用于评估毫米波RF MMICs。1.0mm同轴连接器的使用,将需要多步的基于波导的测试极大的简化成了一步。命名同上,由于外导体尺寸为1.0mm,被称为1.0mm连接器。


图19.jpg



15. W连接器

W连接器是由Wiltron/Anritsu公司于1996年开发设计,工作带宽到110GHz。其特点及应用与HP的1.0mmm连接器相同。

1mm连接器的机械结构与2.4mm/1.85mm不兼容,需要使用转接头进行适配,举例如下。


图20.jpg图21.jpg



即然多数连接器跟外导体内径尺寸有关,那我们就再从结构上认识一下它们。


公头示意图(Male Connector)


图23.jpg


头示意图(Female Connector


图24.jpg


关于接头的尺寸说明:

A: 外导体的内径(此参数与中心导体的直径和绝缘层的介电常数决定了此接头的最大截止工作频率;许多接头的名字就是从这个内径的指标得来的,如3.5mm, 2.92mm,1.85mm等)

B:中心导体外径(结合外导体内径,可以决定接头的阻抗)

C:  中心导体的间隙:确认中心导体的这个间隙在指标范围内非常重要,否则可能会导致设备或器件的连接器的机械损坏。



关于1.0mm与W连接器什么情况下不能互连说明:

HP公司的1.0mm Female连接器的内导体的孔设计尺寸为0.27mm ± 0.013mm,而Wiltron公司的W头的Male头的中心导体外径是0.29 mm ± 0.013mm或0.32mm ± 0.013mm(低损耗线缆),两者设计尺寸不同,当使用1.0mm Female连接器与W Male连接器互连时,会导致1.0mm Female连接器损坏,因此,1.0mm Female连接器不能与W Male连接器互连。


综上,连接器注意事项概述如下:

1. 许多同轴连接头在设计上都考虑到了其机械接口的准确性和坚固性,但在使用中,经常清洁是十分必要的,同时在拧紧时加到螺母上的转矩大小也要适当,以保证阳性触头肩部与阴性触指之间的间隔为最小。只有这样,才能保证有良好的信号连接特性。

2. 当使用SMA Male连接器与female连接器的精密SMA Male连接器(3.5mm或2.92mm)互连时,一定要保证SMA Male连接器生产厂家的专业性,且接入时一定要保证Male连接器方向正且直的接入。

3. 在使用SMA的缆时,特别是半刚性的缆,请不要在靠近接头的地方弯曲,防止缆内中心导致长度变化,损坏与其连接的Female连接器。

4. 1.0mm Female连接器不能与W Male连接器互连。


不同类型的连接器的最高工作频率及互通性:


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