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(tǒng)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(yè)發(fā)展的需要，在七十年代末和八十年代初我國陸續(xù)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(chǎn)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(yè)的發(fā)展，迫切需要發(fā)展我國的分米波彩色電視系統(tǒng)，使其接近或達到目前國際上同類產(chǎn)品水平。對于射頻密封連接器，分米波段與米波段的主要區(qū)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(tǒng)對射頻密封連接器的要求是在0～1GHz頻率范圍內(nèi)，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(zhuǎn)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(wěn)定，仍為一種比較好的連接結(jié)構(gòu)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(tǒng)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(xù)性。對于每一個不可避免的特性阻抗的不連續(xù)，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(xiàn)行LQ型連接器的結(jié)構(gòu)及其對電壓駐波比的影響

1. 現(xiàn)行LQ型連接器的結(jié)構(gòu)

綜合目前國內(nèi)LQ型射頻密封連接器的結(jié)構(gòu)設計，略去連接結(jié)構(gòu)，電纜夾緊裝置、充氣密封結(jié)構(gòu)，由內(nèi)外導體組成的同軸傳輸腔體的結(jié)構(gòu)可簡化如圖1～3的結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)

1. 絕緣支撐      2. 外襯套

圖2  外襯式結(jié)構(gòu)

1. 絕緣支撐       2. 內(nèi)襯套

     圖3  內(nèi)襯式結(jié)構(gòu)

2. 結(jié)構(gòu)參數(shù)偏差對電壓駐波比的影響

根據(jù)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(shù)值取決于絕緣介質(zhì)的相對介電常數(shù)ε_r、外導體內(nèi)徑D以及內(nèi)導體外徑d。在加工制造過程中，由于環(huán)境、技術、材料本身諸因素，內(nèi)外導體直徑D、d、相對介電常數(shù)ε_r總會出現(xiàn)一定的偏差，當D、d、ε_r三參數(shù)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(tài)分布規(guī)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(shù)均方根偏差值；
σ_d—— 內(nèi)導體外徑均方根偏差值；
σ_D——外導體內(nèi)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(zhì)的相對介電常數(shù)ε_r對特性阻抗影響較大，內(nèi)導體的外徑d影響次之。

當內(nèi)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(chǎn)生的影響由下式?jīng)Q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(shù)量和避免使用或少用絕緣介質(zhì)材料。

3. 絕緣介質(zhì)材料的影響

根據(jù)公式(1)，當絕緣介質(zhì)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(jié)構(gòu)時，其相對介電常數(shù)由下式?jīng)Q定：

圖2圖3中復合結(jié)構(gòu)由聚四氟乙烯(PTFE)襯套和空氣組成，因而其相對介電常數(shù)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(nèi)徑

由公式(1)、(5)、(6)對比可見，對于特性阻抗Z，空氣介質(zhì)時結(jié)構(gòu)參數(shù)影響因素最少(2個)，內(nèi)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(jié)構(gòu)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(shù)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(jié)構(gòu)，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(zhì)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(nèi)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(chǎn)生的不連續(xù)電容，對特性阻抗亦產(chǎn)生影響。從整體結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的不良影響。

在連接器與電纜的配接處，連接器內(nèi)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(nèi)導體有的是直銅管，有的是皺紋銅管，內(nèi)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(jié)構(gòu)型式、介質(zhì)結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)如圖4～7。

圖4  雙支撐結(jié)構(gòu)截面

圖5  外襯式結(jié)構(gòu)截面

圖6  內(nèi)襯套式結(jié)構(gòu)截面

圖7  電纜截面

其介質(zhì)所占腔體截面面積的比例如表2：
表2

圖別	4	5	6	7
介質(zhì)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(jié)構(gòu)相比，不僅結(jié)構(gòu)型式仍有差別，而且介質(zhì)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(jù)以上結(jié)構(gòu)分析，針對圖1～3所示結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)；
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(nèi)外絕緣襯套；
4. 保留一定長度的空氣介質(zhì)段；
5. 對連接器與電纜的配接處進行適當?shù)难a償過渡設計。

1  絕緣支撐       2  補償環(huán)

圖8  新設計的結(jié)構(gòu)

由公式可見，空氣介質(zhì)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(nèi)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(huán)，再經(jīng)實驗對尺寸進行修正，經(jīng)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(jié)構(gòu)設計如下圖：

以圖8結(jié)構(gòu)為基礎，再完善其它結(jié)構(gòu)如連接結(jié)構(gòu)、充氣密封結(jié)構(gòu)、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(jié)果與討論

以L27Q為例，分別取原國產(chǎn)L27Q產(chǎn)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(zhuǎn)接器在同一臺進口的6409標量射頻網(wǎng)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(nèi)，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(nèi)，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(tǒng)在0～1GHz范圍內(nèi)，電纜組件VSWR≤1.05的要求。

五、結(jié)  論

結(jié)構(gòu)分析和重新設計實驗驗證表明：在射頻連接器結(jié)構(gòu)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(zhì)，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(jīng)過重新設計完全可以滿足分米波電視天饋系統(tǒng)的需要。

作者：李明德

參考文獻

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