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(jī)箱之間提供了重的要信號(hào)通道。適當(dāng)?shù)倪B接器至少能提供所需的最低電氣性能和機(jī)械強(qiáng)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(nèi)由于其物理體積和性能限制，已經(jīng)不能滿足需要。
為了應(yīng)對(duì)當(dāng)今設(shè)計(jì)的諸多挑戰(zhàn)，工程師可以從幾個(gè)主要系列的許多特定類型中進(jìn)行選擇，每種類型都提供更高帶寬、更小體積和使用更細(xì)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(yōu)先需求。因此，設(shè)計(jì)人員必須首先選擇合適的連接器系列以滿足設(shè)計(jì)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(guān)注與此密切相關(guān)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。
射頻連接器的基礎(chǔ)知識(shí)
澄清連接器相關(guān)術(shù)語很重要。“連接器”是指可以根據(jù)需要進(jìn)行配接和拆接的金屬端接器件，而“電纜”則是由內(nèi)部銅導(dǎo)體、間隔電介質(zhì)、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(shí)，“電纜”一詞經(jīng)常用來代替“電纜組件”，其實(shí)際含義常常可以通過上下文看出。我們將在本文中嚴(yán)格使用這些術(shù)語。
雖然連接器是無源器件，不提供任何信號(hào)處理或增強(qiáng)功能，但它們幾乎是所有產(chǎn)品設(shè)計(jì)中必不可少的部分。“理想”連接器具有關(guān)鍵的機(jī)械屬性，如方便的配接和拆接、機(jī)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(xù)。隨著工作頻率的增加，連接器在設(shè)計(jì)、制造和使用方面的挑戰(zhàn)也在增加。隨著所需工作頻率擴(kuò)展到射頻領(lǐng)域，達(dá)到并超過千兆赫茲 (GHz) 范圍，其機(jī)械結(jié)構(gòu)必然變得越來越精確，且具有許多關(guān)鍵的性能屬性和參數(shù)。
諸如 BNC (Bayonet Neil-Concelman) 等經(jīng)典連接器分為 50Ω 和 75Ω 兩個(gè)版本（后者用于視頻和電視），并且自 20 世紀(jì) 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(diǎn)是將“卡扣”系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)三分之一圈即可實(shí)現(xiàn)連接器快速連接/斷開。雖然通常的頻率響應(yīng)額定值為 4 GHz，但在較高頻率下，連接器的損耗往往會(huì)提高到一個(gè)無法接受的水平。從物理上講，由于其體積相對(duì)較大，而且作為完整的電纜組件時(shí)最小彎曲半徑較大，因此并不適合目前的緊湊、密集型設(shè)計(jì)。
圖 1：BNC 連接器包括一個(gè)卡口主體鎖，自 20 世紀(jì) 50 年代初以來一直被廣泛使用，但對(duì)于當(dāng)今許多空間受限的高頻應(yīng)用來說，其電氣或機(jī)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）
用于新應(yīng)用的較新產(chǎn)品系列
許多行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)連接器系列都可用于更高頻率、更緊湊的應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)的 50 Ω 射頻阻抗。每種產(chǎn)品又都具有不同的電氣和機(jī)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(nèi)。
本文將選取每個(gè)系列中的一個(gè)連接器進(jìn)行探討。然而，每個(gè)連接器系列都會(huì)有許多版本的電氣規(guī)格幾乎相同，但機(jī)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(duì)設(shè)計(jì)者來說是件好事，因?yàn)檫@樣就會(huì)很容易地找到一種現(xiàn)成的、具有特定外形尺寸并能非常適應(yīng)產(chǎn)品設(shè)計(jì)和限制的連接器。這意味著產(chǎn)品的機(jī)械設(shè)計(jì)優(yōu)先級(jí)幾乎不需要改變。現(xiàn)在，我們來了解一下這五個(gè)系列：
?SMA：超小型 SMA 系列同軸連接器采用螺紋耦合技術(shù)設(shè)計(jì)，可確保器件在高強(qiáng)度振動(dòng)下也具有高機(jī)械穩(wěn)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(shí)現(xiàn) 500 次配接。
圖 2：超小型 SMA 系列連接器采用螺紋聯(lián)接，可增加高強(qiáng)度振動(dòng)下的機(jī)械完整性。（圖片來源：Würth Elektronik）
這類連接器中一個(gè)很好的例子便是 Würth Elektronik 的 60312242114510，這是一個(gè) DC 到 10GHz 的 SMA 插孔連接器，帶有一個(gè)母插座（圖 3）。該連接器設(shè)計(jì)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(gè)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(chǎn)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(gè)前端螺母和相應(yīng)的鎖緊墊圈，以便在通過面板或穿孔板安裝時(shí)提高機(jī)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(guī)格包括電壓駐波比 (VSWR) 低于1.2、在 DC 到 12.4 GHz 范圍內(nèi)的插損 (IL) 小于 0.14 分貝 (dB)、從 12.4 GHz到 18 GHz 范圍內(nèi)的 VSWR 和 IL 數(shù)分別為 1.4 和 0.2dB。
?SMB：SMB 系列連接器設(shè)計(jì)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(xiàn)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(shí)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(gè)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(shù)也是 500 次。
圖 5：61611002121501 SMB 連接器是專為通孔板連接和焊接而設(shè)計(jì)的卡扣式直角單元，外形比 SMA 單元小，但規(guī)格相當(dāng)。（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(jié)構(gòu)，可用于高達(dá) 40 GHz 的應(yīng)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(tǒng)和應(yīng)用的滑動(dòng)觸頭實(shí)現(xiàn)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(jí)，包括用于中低保持力等級(jí)的有限凹陷（左）和 500 次配接能力；以及保持力等級(jí)最低但配接次數(shù)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(gè)加長(zhǎng)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(jī)構(gòu)，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(gè)兼容 IEC 61169-36 標(biāo)準(zhǔn)、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(fā)射插孔連接器，適用于厚度達(dá) 1.6 mm 的電路板。該器件的 VSWR 為 1.3，且在該范圍內(nèi)的插損為 0.25 dB，額定配接次數(shù)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(shè)計(jì)的應(yīng)用（圖 10）。該系列采用卡扣式耦合機(jī)構(gòu)，連接方便快速，而且符合 IEC 61169-36 標(biāo)準(zhǔn)。
圖 10：MMCX 系列連接器比 MCX 系列小約 30%，但射頻性能相當(dāng)。（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(shè)計(jì)用于壓接在 RG174、RG316 和 RG188 等同軸電纜上。（圖片來源：Würth Elektronik）
特種連接器、適配器進(jìn)一步完善了產(chǎn)品系列
鑒于可用的連接器種類繁多，不可避免地需要適配器來實(shí)現(xiàn)一個(gè)系列與另一個(gè)系列之間的相互連接。Würth Elektronik 提供了多個(gè)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(zhuǎn)換，例如從 SMA 插頭和插孔轉(zhuǎn)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(xiàn)有的 SMA 插頭和插孔適配器，可實(shí)現(xiàn)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(huì)讓設(shè)計(jì)人員感到困惑的特殊連接器類型：反極性 (RP) 連接器。標(biāo)準(zhǔn)的連接器配置是插頭上有一個(gè)公頭（插針）中間觸頭，插孔上有一個(gè)相應(yīng)的母頭（插座）。但在美國(guó)，聯(lián)邦通信委員會(huì) (FCC) 規(guī)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(fèi)類無線 Wi-Fi 路由器問世之時(shí)。這種路由器是為有限范圍而設(shè)計(jì)的，采用了一種小型天線，其底部有一個(gè)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，F(xiàn)CC 擔(dān)心最終用戶會(huì)試圖使用擴(kuò)展放大器和/或外置天線來提高設(shè)備的傳輸范圍，進(jìn)而造成 Wi-Fi 頻段干擾。他們的“解決方案”是嘗試通過強(qiáng)制要求這些無線設(shè)備（通常使用 SMA 連接器）使用 RP 連接器，使其與標(biāo)準(zhǔn)的外擴(kuò)展器件不兼容，以增加這些擴(kuò)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(tǒng) SMA 連接器相比，中心導(dǎo)體極性相反；從左到右，標(biāo)準(zhǔn) SMA 公頭連接器、SMA 標(biāo)準(zhǔn)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(shí)間內(nèi)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(dòng)天線等設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)擴(kuò)展器件（圖 14）。
圖 14：這款外置式 Wi-Fi 天線可以隨意移動(dòng)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(diǎn)是在 DC 到 12.4 GHz 范圍內(nèi) VSWR 為 1.2，在 12.4 GHz 到 18 GHz 范圍內(nèi)為 1.4，而這兩個(gè)頻率范圍內(nèi)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(shè)計(jì)用于通孔安裝和焊接。（圖片來源：Würth Elektronik）
通過電纜和組件完成連接
連接器只是射頻信號(hào)路徑方案的一部分，其插頭通常安裝在標(biāo)準(zhǔn)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(tǒng)有 75 Ω 電纜和連接器），但它們?cè)陬l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(hù)套和其他機(jī)械和電氣屬性方面都有所不同（圖 17）。
圖 17：設(shè)計(jì)者可以在許多 50 Ω 同軸電纜中選擇，這些電纜的電氣和機(jī)械特性各不相同。所示為一些常見標(biāo)準(zhǔn)同軸電纜的衰減與頻率的關(guān)系——這是一項(xiàng)重要規(guī)格。（圖片來源：Würth Elektronik）
設(shè)計(jì)者還必須決定是自己制造同軸電纜組件還是購買現(xiàn)成的——這是一個(gè)經(jīng)典的“制造”與“購買”的問題。可以根據(jù)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(xiàng)又是挑戰(zhàn)，在許多情況下都需要技術(shù)、實(shí)踐、時(shí)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(jìn)行簡(jiǎn)單的連續(xù)性測(cè)試，還需要檢查射頻性能指標(biāo)，如帶寬和平坦度、阻抗不連續(xù)性、損耗和相位偏移等。這些電氣測(cè)試不僅耗時(shí)，還需復(fù)雜的測(cè)量設(shè)備，而且組件需要通過防拉線扣來提高機(jī)械堅(jiān)強(qiáng)度。
幸運(yùn)的是，有許多不同長(zhǎng)度的電纜組件已作為最常見的電纜和連接器類型的標(biāo)準(zhǔn)備貨項(xiàng)目。這些器件也提供定制長(zhǎng)度和連接器配對(duì)，且交貨時(shí)間很短。例如，Würth 65503503530505 器件是一款 12 in./305 mm 長(zhǎng)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(yīng)力、增強(qiáng)堅(jiān)固性（圖 18）。
圖 18：65503503530505 是一款標(biāo)準(zhǔn)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(shù)據(jù)表包括全面的機(jī)械和材料細(xì)節(jié)、尺寸，以及 DC 至 6 GHz 的 VSWR (1.3) 和插損 (1.2 dB) 的保證規(guī)格。還有一張圖標(biāo)表顯示了每 100 英尺衰減與頻率的關(guān)系，因此用戶可以快速確定這種長(zhǎng)度或任何選定長(zhǎng)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(guān)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(shí)，還有一點(diǎn)需要注意：那就是這些器件體積很小，有時(shí)在擰緊或松開其螺紋本體時(shí)會(huì)很困難。同時(shí)，所需的扭矩應(yīng)達(dá)到規(guī)定數(shù)值：扭矩過小可能造成無法可靠接觸，過大可能會(huì)造成螺紋受力變形，導(dǎo)致配接/拆接次數(shù)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(xiàng)挑戰(zhàn)。（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(guī)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。
結(jié)語
對(duì)于頻率擴(kuò)展到千兆赫范圍的射頻電路和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)者來說，可以選擇不同尺寸、主體樣式、極性布局和其他關(guān)鍵參數(shù)的連接器。確保電路、子電路和系統(tǒng)之間可靠、一致的低損耗信號(hào)路徑是一種挑戰(zhàn)，通過選擇電氣和機(jī)械規(guī)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(zhàn)。
