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(hào)，或用于其它通信設(shè)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(dá)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(hào)	特性阻抗Ω	抗電強(qiáng)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(dá)到目前國際上同類產(chǎn)品水平。對(duì)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(duì)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(duì)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(duì)連接器和一對(duì)測(cè)試用轉(zhuǎn)接器，其VSWR≤1.05。米波段LQ型連接器VSWR最低才達(dá)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(duì)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(jìn)行設(shè)計(jì)是必要的，要降低VSWR，按照射頻連接器的設(shè)計(jì)原則應(yīng)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(gè)橫截面上，盡可能地保持特性阻抗等于標(biāo)稱阻抗，例如50Ω。
2. 盡量保證阻抗的連續(xù)性。對(duì)于每一個(gè)不可避免的特性阻抗的不連續(xù)，都要進(jìn)行補(bǔ)償。
3. 盡量縮短同軸傳輸腔體的“尺寸鏈”。以減少機(jī)械公差對(duì)電氣性能的影響。

二、現(xiàn)行LQ型連接器的結(jié)構(gòu)及其對(duì)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(shè)計(jì)，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(dǎo)體組成的同軸傳輸腔體的結(jié)構(gòu)可簡(jiǎn)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(duì)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(duì)介電常數(shù)ε_r、外導(dǎo)體內(nèi)徑D以及內(nèi)導(dǎo)體外徑d。在加工制造過程中，由于環(huán)境、技術(shù)、材料本身諸因素，內(nèi)外導(dǎo)體直徑D、d、相對(duì)介電常數(shù)ε_r總會(huì)出現(xiàn)一定的偏差，當(dāng)D、d、ε_r三參數(shù)偏差(△D、△d、△ε_r)較小時(shí)，特性阻抗的偏差可用下式表示：
 (2)

由于這些偏差是機(jī)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(dǎo)體外徑均方根偏差值；
σ_D——外導(dǎo)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(duì)介電常數(shù)ε_r對(duì)特性阻抗影響較大，內(nèi)導(dǎo)體的外徑d影響次之。

當(dāng)內(nèi)導(dǎo)體直徑偏差△d=±0.03、△D=±0.05、△ε_r=±0.04時(shí)，特性阻抗的均方根偏差值為：
σ_z=0.55Ω

該處對(duì)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?zèng)Q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(dāng)絕緣介質(zhì)為空氣時(shí)，特性阻抗為：
 (5)

如圖2圖3所示，當(dāng)傳輸腔體為復(fù)合結(jié)構(gòu)時(shí)，其相對(duì)介電常數(shù)由下式?jīng)Q定：

圖2圖3中復(fù)合結(jié)構(gòu)由聚四氟乙烯(PTFE)襯套和空氣組成，因而其相對(duì)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(duì)比可見，對(duì)于特性阻抗Z，空氣介質(zhì)時(shí)結(jié)構(gòu)參數(shù)影響因素最少(2個(gè))，內(nèi)外導(dǎo)體間充滿PTFE時(shí)影響因素次之(3個(gè))，復(fù)合腔體時(shí)(空氣和PTFE)影響因素最多(5個(gè))。由(3)式見，影響因素越多，對(duì)特性阻抗影響越大，導(dǎo)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(shè)絕緣支撐2。絕緣支撐2的增設(shè)不僅增多了相對(duì)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(chǔ)的完全空氣介質(zhì)段，增大了VSWR。

4. 補(bǔ)償不當(dāng)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(dǎo)體上各有A B C E F G和A＇B＇C＇E＇F＇G＇六個(gè)階梯，由于階梯產(chǎn)生的不連續(xù)電容，對(duì)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(yīng)去掉，視絕緣支撐2為不當(dāng)，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(dǎo)體均是表面光滑的銅導(dǎo)體，而電纜的外導(dǎo)體為皺紋銅管，內(nèi)導(dǎo)體有的是直銅管，有的是皺紋銅管，內(nèi)外導(dǎo)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(dǎo)體直徑的突變，而且存在著導(dǎo)體結(jié)構(gòu)型式、介質(zhì)結(jié)構(gòu)型式的變化，需要對(duì)此進(jìn)行補(bǔ)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(bǔ)償措施的話，分別切割補(bǔ)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(bǔ)償作用。應(yīng)謀求新的補(bǔ)償措施。

三、分米波段LQ型連接器的設(shè)計(jì)

根據(jù)以上結(jié)構(gòu)分析，針對(duì)圖1～3所示結(jié)構(gòu)存在的問題，按照設(shè)計(jì)原則，對(duì)分米波段LQ型連接器進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)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(zhǎng)度的空氣介質(zhì)段；
5. 對(duì)連接器與電纜的配接處進(jìn)行適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償過渡設(shè)計(jì)。

1  絕緣支撐       2  補(bǔ)償環(huán)

圖8  新設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)

由公式可見，空氣介質(zhì)段對(duì)特性阻抗的影響因素最少(2個(gè))，因而也最符合各項(xiàng)設(shè)計(jì)原則。在設(shè)計(jì)中盡量擴(kuò)大空氣段所占整個(gè)傳輸腔體的比例，作為連接器標(biāo)稱阻抗的基礎(chǔ)，“壓縮”其它因素對(duì)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(dǎo)體直徑尺寸接近，電纜皺紋外導(dǎo)體的平均外徑為參考，設(shè)計(jì)一個(gè)PTFE補(bǔ)償環(huán)，再經(jīng)實(shí)驗(yàn)對(duì)尺寸進(jìn)行修正，經(jīng)驗(yàn)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(shè)計(jì)如下圖：

以圖8結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，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(shè)計(jì)的分米波段射頻密封連接器如圖9。

 

四、試驗(yàn)結(jié)果與討論

以L27Q為例，分別取原國產(chǎn)L27Q產(chǎn)品和新設(shè)計(jì)L27Q各一對(duì)，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(duì)N/L27型轉(zhuǎn)接器在同一臺(tái)進(jìn)口的6409標(biāo)量射頻網(wǎng)絡(luò)分析儀上做對(duì)比測(cè)試，測(cè)得的回波損耗曲線如圖10。
 

由測(cè)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(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明：在射頻連接器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，應(yīng)避免不必要的階梯，傳輸腔體應(yīng)有標(biāo)準(zhǔn)阻抗空氣段，減少不必要的絕緣支撐和絕緣介質(zhì)，且對(duì)連接器與電纜的配接處應(yīng)進(jìn)行過渡補(bǔ)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(shè)計(jì)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(xiàn)

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