發布日期：2022-10-09 點擊率：118
射頻 (RF) 連接器及其完整的同軸 (Coax) 電纜組件在電路板、子組件和機箱之間提供了重的要信號通道。適當的連接器至少能提供所需的最低電氣性能和機械強度。然而，多年來一直使用的射頻連接器系列，包括卡口連接 BNC 連接器在內由于其物理體積和性能限制，已經不能滿足需要。
為了應對當今設計的諸多挑戰，工程師可以從幾個主要系列的許多特定類型中進行選擇，每種類型都提供更高帶寬、更小體積和使用更細同軸電纜的一些組合。這些連接器有多種 PC 板端接方式以及電纜端接類型，以滿足多種類別的物理安裝優先需求。因此，設計人員必須首先選擇合適的連接器系列以滿足設計要求，然后在該系列中選擇樣式。
本文將介紹五種廣泛使用的千兆赫茲 (GHz) 范圍射頻連接器系列。本文還將關注與此密切相關的問題，即使用 Würth Elektronik 的不同系列的組件，用所選的連接器連接成完整的電纜組件。
澄清連接器相關術語很重要。“連接器”是指可以根據需要進行配接和拆接的金屬端接器件，而“電纜”則是由內部銅導體、間隔電介質、外屏蔽層和絕緣層組成的同軸線，并在絕緣層上固定了連接器。“電纜組件”是指電纜與在其一端或兩端配備的連接器的組合。但在閑談時，“電纜”一詞經常用來代替“電纜組件”，其實際含義常常可以通過上下文看出。我們將在本文中嚴格使用這些術語。
雖然連接器是無源器件，不提供任何信號處理或增強功能，但它們幾乎是所有產品設計中必不可少的部分。“理想”連接器具有關鍵的機械屬性，如方便的配接和拆接、機械和電氣的完整性，而且它在電氣方面是不可見的，不存在直流歐姆電阻或射頻阻抗不連續。隨著工作頻率的增加，連接器在設計、制造和使用方面的挑戰也在增加。隨著所需工作頻率擴展到射頻領域，達到并超過千兆赫茲 (GHz) 范圍，其機械結構必然變得越來越精確，且具有許多關鍵的性能屬性和參數。
諸如 BNC (Bayonet Neil-Concelman) 等經典連接器分為 50Ω 和 75Ω 兩個版本（后者用于視頻和電視），并且自 20 世紀 50 年代直至今天，仍被廣范圍使用（圖 1）。這種鎖定式連接器的特點是將“卡扣”系統旋轉三分之一圈即可實現連接器快速連接/斷開。雖然通常的頻率響應額定值為 4 GHz，但在較高頻率下，連接器的損耗往往會提高到一個無法接受的水平。從物理上講，由于其體積相對較大，而且作為完整的電纜組件時最小彎曲半徑較大，因此并不適合目前的緊湊、密集型設計。
圖 1：BNC 連接器包括一個卡口主體鎖，自 20 世紀 50 年代初以來一直被廣泛使用，但對于當今許多空間受限的高頻應用來說，其電氣或機械性能并不理想。公插頭通常配合電纜組件（左）使用；母插孔（右）用于儀表面板。（圖片來源：Wikipedia;Pinterest）
許多行業標準連接器系列都可用于更高頻率、更緊湊的應用。其中最受歡迎的是 SMA、SMB、SMP、MMX 和 MMCX 系列，這些電纜都具有標準的 50 Ω 射頻阻抗。每種產品又都具有不同的電氣和機械特性組合。與 BNC 連接器的 17 毫米 (mm) 直徑相比，這些連接器的直徑要小得多，在 5mm 范圍內。
本文將選取每個系列中的一個連接器進行探討。然而，每個連接器系列都會有許多版本的電氣規格幾乎相同，但機械配置和布局卻大不相同。其中包括印刷電路板（PC 板）版本：具有直角或直式主體，采用表面貼裝、通孔安裝或末端裝接形式；后部安裝穿板類型；以及面板安裝版本：采用焊杯、扁平凸片或圓柱連接形式。此外，電纜末端的配接連接器也有不同的布局，如直式和直角版本。
特定的連接器類型擁有如此多的選擇，這對設計者來說是件好事，因為這樣就會很容易地找到一種現成的、具有特定外形尺寸并能非常適應產品設計和限制的連接器。這意味著產品的機械設計優先級幾乎不需要改變。現在，我們來了解一下這五個系列：
?SMA：超小型 SMA 系列同軸連接器采用螺紋耦合技術設計，可確保器件在高強度振動下也具有高機械穩定性（圖 2）。連接器的中間觸頭和絕緣體增大了軸向力和扭矩。中間觸頭上的厚金鍍層有助于提高電氣性能，并可實現 500 次配接。
圖 2：超小型 SMA 系列連接器采用螺紋聯接，可增加高強度振動下的機械完整性。（圖片來源：Würth Elektronik）
這類連接器中一個很好的例子便是 Würth Elektronik 的 60312242114510，這是一個 DC 到 10GHz 的 SMA 插孔連接器，帶有一個母插座（圖 3）。該連接器設計用于板邊緣使用和末端裝接方向。這種面板安裝式焊接連接器還配有一個前端螺母和鎖緊墊圈，方便在穿孔板（面板）上固定，以增加最終產品的剛性。
圖 3：60312242114510 DC 至 10GHz SMA 連接器插孔帶有母插座，包括一個前端螺母和相應的鎖緊墊圈，以便在通過面板或穿孔板安裝時提高機械完整性（所有尺寸都以毫米為單位）。（圖片來源：Würth Elektronik）
主要的射頻規格包括電壓駐波比 (VSWR) 低于1.2、在 DC 到 12.4 GHz 范圍內的插損 (IL) 小于 0.14 分貝 (dB)、從 12.4 GHz到 18 GHz 范圍內的 VSWR 和 IL 數分別為 1.4 和 0.2dB。
?SMB：SMB 系列連接器設計為卡扣式耦合，寬帶能力為 DC 至 4 GHz。該系列尺寸比 SMA 系列更小，因此非常適合電路小型化。在現有的 SMB 連接器中，有用于通孔和表面貼裝的 PC 板插座，也有用于插頭和插孔的邊緣卡和電纜連接器（圖 4）。
圖 4：SMB 連接器是卡扣式無螺紋器件，尺寸比 SMA 連接器小，同時提供有一系列配置。（圖片來源：Würth Elektronik）
例如 61611002121501 就是一種 SMB 連接器，它具有一個公插針、直角、通孔、焊接連接器插孔，VSWR 為 1.5，插損低于 0.2 dB（圖 5）。和 SMA 器件一樣，這種連接器的額定配接次數也是 500 次。
圖 5：61611002121501 SMB 連接器是專為通孔板連接和焊接而設計的卡扣式直角單元，外形比 SMA 單元小，但規格相當。（圖片來源：Würth Elektronik）
?SMP 系列：該系列連接器采用滑入式和卡扣式結構，可用于高達 40 GHz 的應用。該系列提供三種接口：全“凹陷式”，保持力最大，具有高抗振性（100 次）；有限凹陷式，具有中、低保持力（500 次）；以及平滑孔式（1000 次），通過模塊化系統和應用的滑動觸頭實現最低保持力（圖 6）。
圖 6：SMP 系列中的連接器提供了多種保持力等級，包括用于中低保持力等級的有限凹陷（左）和 500 次配接能力；以及保持力等級最低但配接次數加倍的平滑孔（右）。（圖片來源：Würth Elektronik）
60114202122305 連接器屬于該系列，這是一種表面貼裝式邊緣卡連接器，帶有一個加長焊腳，用于最大厚度為 1.2mm 的電路板（圖 7）。該連接器的指定 VSWR 為 1.5，從 DC 到 12 GHz 的插損為 0.42 dB。
圖 7：60114202122305 是 SMP 系列中的平滑孔、邊緣卡連接器，額定頻率為 12GHz。（圖片來源：Würth Elektronik）
?MCX 系列 CX（微同軸）系列中的連接器具有快速方便的連接機構，適用于 DC 至 6 GHz 工作范圍（圖 8）。該系列連接器符合 IEC 61169-36 “射頻連接器 - 第 36 部分：微型射頻連接器，卡扣式耦合 - 特性阻抗 50Ω（MCX 型）”。
圖 8：MCX 連接器系列是一個兼容 IEC 61169-36 標準、外形更小的卡扣式連接器系列。（圖片來源：Würth Elektronik）
60612202111308 是 MCX 系列中的一款表面貼裝、邊緣發射插孔連接器，適用于厚度達 1.6 mm 的電路板。該器件的 VSWR 為 1.3，且在該范圍內的插損為 0.25 dB，額定配接次數為 500 次。
圖 9：MCX 系列 60612202111308 表面貼裝、邊緣裝接插孔的插損僅 0.25 dB 至 6 GHz。（圖片來源：Würth Elektronik）
?MMCX 系列： 該系列連接器比 MCX 連接器小約 30%，適用于要求超小型設計的應用（圖 10）。該系列采用卡扣式耦合機構，連接方便快速，而且符合 IEC 61169-36 標準。
圖 10：MMCX 系列連接器比 MCX 系列小約 30%，但射頻性能相當。（圖片來源：Würth Elektronik）
例如，66046011210320 MMCX 插頭是 MMCX 系列中的公插針、“自由懸掛”（直插）、壓接式連接器（圖 11）。這款 6 GHz 連接器可與 RG174、RG316 和 RG188 同軸電纜配合使用，其 VSWR 為 1.3，插損為 0.3 dB。
圖 11：66046011210320 MMCX 插頭設計用于壓接在 RG174、RG316 和 RG188 等同軸電纜上。（圖片來源：Würth Elektronik）
鑒于可用的連接器種類繁多，不可避免地需要適配器來實現一個系列與另一個系列之間的相互連接。Würth Elektronik 提供了多個完整的適配器系列，支持從一種連接器類型和極性到另一種連接器類型和極性的轉換，例如從 SMA 插頭和插孔轉換到其他的連接器插頭和插孔系列（圖 12）。
圖 12：所示為許多現有的 SMA 插頭和插孔適配器，可實現到 SMB、MCX 和 MMCX 系列各類連接器的無縫過渡。（圖片來源：Würth Elektronik）
還有一種首先會讓設計人員感到困惑的特殊連接器類型：反極性 (RP) 連接器。標準的連接器配置是插頭上有一個公頭（插針）中間觸頭，插孔上有一個相應的母頭（插座）。但在美國，聯邦通信委員會 (FCC) 規定在一些特殊情況下必須將極性反向。
這種情況可以追溯到幾十年前，在消費類無線 Wi-Fi 路由器問世之時。這種路由器是為有限范圍而設計的，采用了一種小型天線，其底部有一個連接器，可以直接擰入 Wi-Fi 單元的天線連接部分，因此無法重新定位天線。然而，FCC 擔心最終用戶會試圖使用擴展放大器和/或外置天線來提高設備的傳輸范圍，進而造成 Wi-Fi 頻段干擾。他們的“解決方案”是嘗試通過強制要求這些無線設備（通常使用 SMA 連接器）使用 RP 連接器，使其與標準的外擴展器件不兼容，以增加這些擴展器件的連接難度（圖 13）。
圖 13：RP SMA 插頭和插孔連接器與傳統 SMA 連接器相比，中心導體極性相反；從左到右，標準 SMA 公頭連接器、SMA 標準母頭連接器、RP-SMA 母頭連接器、RP-SMA 公頭接器。（圖片來源：維基百科）
然而，在很短的時間內采用 RP 連接器端接的電纜組件得以普及，并成為外置式 Wi-Fi 移動天線等設備的標準擴展器件（圖 14）。
圖 14：這款外置式 Wi-Fi 天線可以隨意移動以找到最佳位置，并且由于采用 RP-SMA 連接器，因此可兼容 Wi-Fi 路由器上的天線接口。（圖片來源：Amazon）
圖 15：反極性 (RP) 連接器有多種電路板樣式和電纜端接配置。（圖片來源：Würth Elektronik）
63012042124504 是一款面板安裝、通孔焊接式 RP-SMA 插孔連接器（圖 16）。這款連接器的特點是在 DC 到 12.4 GHz 范圍內 VSWR 為 1.2，在 12.4 GHz 到 18 GHz 范圍內為 1.4，而這兩個頻率范圍內的插損分別為 0.14 dB 和 0.2 dB。
圖 16：63012042124504 是一款反極性 SMA 連接器，設計用于通孔安裝和焊接。（圖片來源：Würth Elektronik）
連接器只是射頻信號路徑方案的一部分，其插頭通常安裝在標準同軸電纜上，如 RG174、RG316 和 RG188 等。雖然都是用于射頻工作的 50 Ω 電纜（視頻系統有 75 Ω 電纜和連接器），但它們在頻率范圍、衰減、直徑、介電類型、相位特性、功率處理、最小彎曲半徑、外部護套和其他機械和電氣屬性方面都有所不同（圖 17）。
圖 17：設計者可以在許多 50 Ω 同軸電纜中選擇，這些電纜的電氣和機械特性各不相同。所示為一些常見標準同軸電纜的衰減與頻率的關系——這是一項重要規格。（圖片來源：Würth Elektronik）
設計者還必須決定是自己制造同軸電纜組件還是購買現成的——這是一個經典的“制造”與“購買”的問題。可以根據需要用選定的連接器來端接這些同軸電纜——“制造”是既是選項又是挑戰，在許多情況下都需要技術、實踐、時間、合適的壓接及其他工具。
此外，這些已完成的電纜組件不僅需要進行簡單的連續性測試，還需要檢查射頻性能指標，如帶寬和平坦度、阻抗不連續性、損耗和相位偏移等。這些電氣測試不僅耗時，還需復雜的測量設備，而且組件需要通過防拉線扣來提高機械堅強度。
幸運的是，有許多不同長度的電纜組件已作為最常見的電纜和連接器類型的標準備貨項目。這些器件也提供定制長度和連接器配對，且交貨時間很短。例如，Würth 65503503530505 器件是一款 12 in./305 mm 長的電纜組件，兩端采用直式 SMA 公插頭，采用 RG-316 同軸電纜（外徑 0.102 in./2.59 mm），并在連接器/電纜連接處增加了熱縮管，以減輕應力、增強堅固性（圖 18）。
圖 18：65503503530505 是一款標準的 12 in 同軸電纜組件，采用 RG-316 電纜，兩端具有直式 SMA 公插頭；注意連接器和電纜之間的防拉線扣。（圖片來源：Würth Elektronik）
該電纜組件的數據表包括全面的機械和材料細節、尺寸，以及 DC 至 6 GHz 的 VSWR (1.3) 和插損 (1.2 dB) 的保證規格。還有一張圖標表顯示了每 100 英尺衰減與頻率的關系，因此用戶可以快速確定這種長度或任何選定長度的電纜組件的衰減特性（圖 19）。
圖 19：所示為 65503503530505 電纜組件的衰減與頻率的關系。（圖片來源：Würth Elektronik）
各家廠商提供的各種電纜組件并不局限于兩端配備同類連接器，而且還可以直接解決互連和過渡問題。例如，65530260515303 是一種采用 RG-174 電纜的短電纜組件（6 in/152 mm），其一端是 RP-SMA 穿板式公頭插孔，另一端是直式 MMCX 公頭插孔（圖 20）。
圖 20：電纜組件也可以作為不同連接器系列之間的過渡器件，例如 65530260515303 電纜組件采用 RG-174 電纜，其一端是 RP-SMA 穿板式公頭插孔，另一端是直式 MMCX 公頭插孔。（圖片來源：Würth Elektronik）
采用這些連接器及其電纜組件時，還有一點需要注意：那就是這些器件體積很小，有時在擰緊或松開其螺紋本體時會很困難。同時，所需的扭矩應達到規定數值：扭矩過小可能造成無法可靠接觸，過大可能會造成螺紋受力變形，導致配接/拆接次數減少。為此，Würth Elektronik 推出 6006330101 WR-Tool，這是一款適用于所有 WR-SMA 連接器的小型扭矩扳手（圖 21）。
圖 21：6006330101 WR-Tool 可確保 SMA 連接器螺紋體受到的扭矩正確且一致。鑒于 SMA 本體尺寸較小，這種操作通常是一項挑戰。（圖片來源：Würth Elektronik）
使用該工具可確保所施加的連接器扭矩符合規定，從而確保正確的觸頭配接，最大限度地提高可靠性和性能一致性。
對于頻率擴展到千兆赫范圍的射頻電路和系統的設計者來說，可以選擇不同尺寸、主體樣式、極性布局和其他關鍵參數的連接器。確保電路、子電路和系統之間可靠、一致的低損耗信號路徑是一種挑戰，通過選擇電氣和機械規格合適的連接器并正確將其扭緊，就能最大限度地克服這一挑戰。
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