一、引言

LQ型射頻密封連接器，主要用在大、中功率米波電視天饋系統連接主、分饋電纜傳輸電視信號，或用于其它通信設備。連接器上備有充氣孔，供電纜充入干燥空氣或惰性氣體，達到密封防潮保持電氣性能的目的。特性阻抗分為50Ω和75Ω兩種。為了滿足廣播電視事業發展的需要，在七十年代末和八十年代初我國陸續研制了一系列米波段LQ型射頻密封連接器，至今仍在使用。其主要電氣性能如表1。

表1

產品系列型號	特性阻抗Ω	抗電強度V	絕緣電阻MΩ	VSWR0～1GHz
L27Q	50; 75	3000	＞10000	≤1.10
L36Q	50; 75	4000	＞10000	≤1.10
L52Q	50; 75	7000	＞10000	≤1.10

隨著廣播電視事業的發展，迫切需要發展我國的分米波彩色電視系統，使其接近或達到目前國際上同類產品水平。對于射頻密封連接器，分米波段與米波段的主要區別是適用頻率范圍不同，對VSWR的要求不同，其它性能兩者類同。分米波電視天饋系統對射頻密封連接器的要求是在0～1GHz頻率范圍內，電纜組件具有低VSWR性能，即短段電纜(約50cm)配接一對連接器和一對測試用轉接器，其VSWR≤1.05。米波段LQ型連接器VSWR最低才達1.07，顯然不符合要求。但是其螺紋連接的接口型式，由于連接方便、接觸可靠、性能穩定，仍為一種比較好的連接結構形式，在國外也廣為采用。對此，如何降低LQ型連接器的VSWR，使其滿足分米波電視天饋系統的要求，成為必須解決的主要問題。

分米波密封連接器，由于工作頻率的提高，精確地進行設計是必要的，要降低VSWR，按照射頻連接器的設計原則應滿足以下要求：

1. 保持特性阻抗的均勻性。即在同軸傳輸線的每一個橫截面上，盡可能地保持特性阻抗等于標稱阻抗，例如50Ω。
2. 盡量保證阻抗的連續性。對于每一個不可避免的特性阻抗的不連續，都要進行補償。
3. 盡量縮短同軸傳輸腔體的“尺寸鏈”。以減少機械公差對電氣性能的影響。

二、現行LQ型連接器的結構及其對電壓駐波比的影響

1. 現行LQ型連接器的結構

綜合目前國內LQ型射頻密封連接器的結構設計，略去連接結構，電纜夾緊裝置、充氣密封結構，由內外導體組成的同軸傳輸腔體的結構可簡化如圖1～3的結構形式。它決定了連接器的VSWR和其它電氣性能。

1. 絕緣支撐    2. 絕緣支撐     

圖1  雙支撐結構

1. 絕緣支撐      2. 外襯套

圖2  外襯式結構

1. 絕緣支撐       2. 內襯套

     圖3  內襯式結構

2. 結構參數偏差對電壓駐波比的影響

根據同軸傳輸線理論，其特性阻抗為：
  (1)

由(1)式可見，特性阻抗Z的數值取決于絕緣介質的相對介電常數ε_r、外導體內徑D以及內導體外徑d。在加工制造過程中，由于環境、技術、材料本身諸因素，內外導體直徑D、d、相對介電常數ε_r總會出現一定的偏差，當D、d、ε_r三參數偏差(△D、△d、△ε_r)較小時，特性阻抗的偏差可用下式表示：
 (2)

由于這些偏差是機遇性的，因此服從正態分布規律：
(3)
式中：σ_z—— 特性阻抗的均方根偏差值；
σ_ε—— 等效介電常數均方根偏差值；
σ_d—— 內導體外徑均方根偏差值；
σ_D——外導體內徑均方根偏差值。

而：

以L27Q型射頻密封連接器為例(單位mm)：
D=18；d=5.5； ε_r =2.05
則：()²=147；  ()²=58；  ()²=5.4

由此可見，絕緣介質的相對介電常數ε_r對特性阻抗影響較大，內導體的外徑d影響次之。

當內導體直徑偏差△d=±0.03、△D=±0.05、△ε_r=±0.04時，特性阻抗的均方根偏差值為：
σ_z=0.55Ω

該處對VSWR產生的影響由下式決定：
(4) 

將特性阻抗均方根偏差值代入(4)式

由(3)式及以上分析可見，要降低VSWR，就要減少決定特性阻抗的尺寸公差的數量和避免使用或少用絕緣介質材料。

3. 絕緣介質材料的影響

根據公式(1)，當絕緣介質為空氣時，特性阻抗為：
 (5)

如圖2圖3所示，當傳輸腔體為復合結構時，其相對介電常數由下式決定：

圖2圖3中復合結構由聚四氟乙烯(PTFE)襯套和空氣組成，因而其相對介電常數為
 

代入(1)式得：
(6)

其中：D₁——為絕緣襯套的外徑；d₁——為絕緣襯套的內徑

由公式(1)、(5)、(6)對比可見，對于特性阻抗Z，空氣介質時結構參數影響因素最少(2個)，內外導體間充滿PTFE時影響因素次之(3個)，復合腔體時(空氣和PTFE)影響因素最多(5個)。由(3)式見，影響因素越多，對特性阻抗影響越大，導致VSWR性能越差。

從整體結構分析，在圖1中，已有絕緣支撐1支撐定位，無需再設絕緣支撐2。絕緣支撐2的增設不僅增多了相對介電常數的偏差帶來的影響，還帶來了其它尺寸公差的影響。圖2圖3所示結構，由于絕緣襯套的附加，也增多了影響特性阻抗的因素，失去了作為阻抗基礎的完全空氣介質段，增大了VSWR。

4. 補償不當帶來的影響

在圖1中，沿OO＇軸向看，從接口部到配接電纜處，內外導體上各有A B C E F G和A＇B＇C＇E＇F＇G＇六個階梯，由于階梯產生的不連續電容，對特性阻抗亦產生影響。從整體結構看，AA＇、EE＇階梯是可避免的，應去掉，視絕緣支撐2為不當，則階梯F＇G＇亦可減少，從而減少由于階梯產生的不良影響。

在連接器與電纜的配接處，連接器內外導體均是表面光滑的銅導體，而電纜的外導體為皺紋銅管，內導體有的是直銅管，有的是皺紋銅管，內外導體間為聚乙烯螺旋支撐，因此在連接器與電纜的配接處，不僅存在著導體直徑的突變，而且存在著導體結構型式、介質結構型式的變化，需要對此進行補償。在圖1、2、3中如果把絕緣支撐2，絕緣襯套理解為采取的補償措施的話，分別切割補償段與切割電纜所獲的截面結構如圖4～7。

圖4  雙支撐結構截面

圖5  外襯式結構截面

圖6  內襯套式結構截面

圖7  電纜截面

其介質所占腔體截面面積的比例如表2：
表2

圖別	4	5	6	7
介質所占腔體截面積比例	100%	40%	12%	7%

由表2所見，圖4、5、6與圖7電纜截面結構相比，不僅結構型式仍有差別，而且介質所占腔體截面積的比例仍差別較大，因而未能起到補償作用。應謀求新的補償措施。

三、分米波段LQ型連接器的設計

根據以上結構分析，針對圖1～3所示結構存在的問題，按照設計原則，對分米波段LQ型連接器進行設計，設計方案如下：

1. 采用單支撐結構；
2. 去掉不必要的階梯。如圖1中的AA＇、FF＇；
3. 去掉絕緣襯套。如圖2、圖3中的內外絕緣襯套；
4. 保留一定長度的空氣介質段；
5. 對連接器與電纜的配接處進行適當的補償過渡設計。

1  絕緣支撐       2  補償環

圖8  新設計的結構

由公式可見，空氣介質段對特性阻抗的影響因素最少(2個)，因而也最符合各項設計原則。在設計中盡量擴大空氣段所占整個傳輸腔體的比例，作為連接器標稱阻抗的基礎，“壓縮”其它因素對傳輸線特性阻抗的影響，降低VSWR。

在連接器與電纜的配接處，選擇以連接器和電纜的兩內導體直徑尺寸接近，電纜皺紋外導體的平均外徑為參考，設計一個PTFE補償環，再經實驗對尺寸進行修正，經驗證這種方法是可行的，效果是明顯的。

綜上所述，傳輸腔體結構設計如下圖：

以圖8結構為基礎，再完善其它結構如連接結構、充氣密封結構、電纜夾緊裝置，以L27Q-J為例，新設計的分米波段射頻密封連接器如圖9。

 

四、試驗結果與討論

以L27Q為例，分別取原國產L27Q產品和新設計L27Q各一對，各配接一短段SDY-50-17-3型低衰減低駐波比射頻同軸電纜，用同一對N/L27型轉接器在同一臺進口的6409標量射頻網絡分析儀上做對比測試，測得的回波損耗曲線如圖10。
 

由測試曲線看，在0～500MHz范圍內，回波損耗由原來的-28dB降為-46dB，換算為VSWR為1.08降為1.01，在500MHz～1GHz范圍內，由原來的-29dB降為-33dB，換算為VSWR為1.074下降為1.046。滿足了分米波電視天饋系統在0～1GHz范圍內，電纜組件VSWR≤1.05的要求。

五、結  論

結構分析和重新設計實驗驗證表明：在射頻連接器結構設計中，應避免不必要的階梯，傳輸腔體應有標準阻抗空氣段，減少不必要的絕緣支撐和絕緣介質，且對連接器與電纜的配接處應進行過渡補償，這些都是降低VSWR行之有效的措施。LQ型射頻密封連接器經過重新設計完全可以滿足分米波電視天饋系統的需要。

作者：李明德

參考文獻

[1] 研制精密同軸標準與元件的某些基本設計原則  I.E.E.E  Trons  MTT-14
 No.1  1966.1   P29-39
[2] 同軸式TEM模通用無源器件  鄭兆翁編著  人民郵電出版社  1983年版P1～15