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不可忽视的射频器件——射频连接器概述

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尽管射频工程师一直在努力减少射频连接器在射频系统中的应用,但是无可否认,射频连接器在射频系统中所占据的重要位置。一个优秀的射频系统也离不开射频连接器的贡献。

无论是在射频系统的内部,比如不同的板级之间的射频信号的连接;抑或是射频系统之间的连接,都离不开射频连接器这个部件。

这篇文章就带大家认识它,学习它,并且希望能够掌握它。

№1

从UHF连接器 到 Type-N 连接器

相对于很多连接器来说,射频连接器还是比较年轻的器件,因为射频这个行业到目前位置也不过百余年。

1930年,也就是二战前,UHF连接器的出现标志着射频连接器的诞生。这种连接器的最显著特点是插头中间的一根较粗的中心导体(约4mm粗)。而连接和固定则采用接头上的内螺纹与插座上的外螺纹相互咬合的方式。这种插头并没有防水能力,所以在室外架设时应特别小心对雨水等自然条件的影响。这种连接器主要工作在100MHz及以下频率使用。
在1940年左右,贝尔实验室的工程师 Paul Neill 为美国海军设计了一种工作频率更高的,具有防水功能射频连接器,并以Neill的首字母N命名,也就是我们现在常用的N型连接器。
随着射频微波技术的发展,除了N型连接器之外,BNC型,TNC型等中型连接器相继问世。下图给出了这三种连接器的端面图。
1951年 General Radio 公司申请了第一款精密N型连接器的专利GR-874专利,专利号为2548457A,连接器结构如下图所示。这款连接器结构简单,并且可以工作到19.4GHz,是第一款被广泛应用的射频连接器。
在1960年之后,出现了三款精密型连接器,分别为GR900(14mm),APC-7(7mm)和Dezifix连接器。GR900结构相对复杂,制造成本昂贵,并且工作频率较低(8.5GHz),应用不是很广泛;APC-7最早是由惠普的微波部门工程师Anthony Badger在1950年前后开发设计的,后来被卖给了安费诺,安费诺改进并推广了这种连接器。
惠普发明了APC-7型连接器,因此很多早期的惠普生产的网分也都标配的是APC-7型连接器,所以在使用网分校准的时候,一定要用适配的连接器。(这里简单介绍一下,是德科技的前身是安捷伦电子测量业务部门,安捷伦的前身是惠普的测试测量部门和生命科学部门。)
Dezifix连接器的专利属于罗德与施瓦茨,所以罗德与施瓦茨早期的一些仪器采用的都是Dezifix连接器。
№2

从SMA到3.5mm/2.92mm


与此同时,小型化和轻量化的射频接头的需求被提出。1958年,Bendix Research Laboratories的John Bryant, James (Jim) Cheal 和 Vincent (Vince) McHenry 开发了一种小型射频连接器,命名为BRM。在1962年,他们三人离开Bendix后创办了Omni Spectra,并改进了BRM 连接器,命名为OSM (Omni Spectra Miniature) ,其工作频率一直可以到26.5GHz。而OSM还有一个更为广泛认知的名称就是SMA,开创了微型连接器的先河,因此 John,Jim和Vince三人还获得了IEEE MTT-S微波先锋奖。

下图给出了常见SMA连接器的类型:标准SMA,反极性SMA。
SMA连接器的内外导体之间有一个PTFE做成的绝缘子,PTFE是一种随温度变化的材料,因此SMA很难提供一个稳定可靠的阻抗值。惠普微波部门的电子工程师Larry Renihan设计了3.5mm连接器的原型,并且兼容SMA连接器,Steven Adm和他的同事在1976年发表的论文《A new 34-GHz 3.5-mm low-cost utility coaxial connector featuring low leakage, low standing-wave ratio, and long life》详细介绍了3.5mm连接器的改进型,该连接器采用空气填充介质,实现了34GHz的超高工作频率。
1985年,Wiltron公司的射频工程师Bill Oldfield开发了2.92mm连接器,将连接器的工作频率推高到了40GHz,2.92mm连接器也被称为K型连接器。并且从机械结构上来说,2.92mm连接器也是兼容SMA的。
所以,如果单纯的从机械结构上来说,SMA,3.5mm和2.92mm这三种连接器是有一定的兼容性的,如果单独看,肉眼也分辨不出来他们的区别。
但是,标准SMA的外导体直径是4.13mm,3.5和2.92 连接器的外径分别是3.5mm和2.92mm,其尺寸并不相同,相互连接也不是理想的,甚至可能会损坏连接器。
但是在实际使用中,射频性能的下降也不是太明显,偶尔互用一下也没啥大的问题。

№3

从2.4mm到1.85mm再到1mm

从这个时候开始,负责连接器设计的射频工程师们开始在更高频率上下足了功夫,于是更小尺寸的连接器诞生了。
与此同时惠普公司的射频工程师 Julius Botka设计了2.4mm连接器,直接将连接器的工作频率推高到了50GHz,并且申请了专利,下图介绍了2.4mm连接器的结构图。
不甘落后的Oldfield随后开发了尺寸更小的射频连接器——V 型连接器,也就是1.85mm连接器,将连接器的工作频率进一步推高到67GHz,下图给出了V型连接器的部分专利视图。
难能可贵的是,这种V型连接器的结构尺寸上是兼容2.4mm连接器的。类似于上文提到的SMA,3.5和2.92.
西安普科科技在文章中总结了这五款射频连接器的结构兼容特性,如下图所示。同学们在使用的时候要加以辨别。
这还不是终点,在1989年,惠普公司设计并推出了外径只有1mm的射频连接器,这种连接器的工作频率高达110GHz。
这肯定还不是终点,0.8mm,0.6mm甚至更小的连接器也会随着需求而逐步问世,Bill Oldfield在审阅高于110GHz连接器设计时曾说:I have often said that all you have to do to make a higher frequency connector is divide by two。(我常说,要制造一个更高频率的连接器,你只需要将尺寸除以二。)。
但实际上,往往不会这么简单。

№4

连接器未来发展趋势

Molex在《Predicting the Connectivity of Tomorrow》报告中深入探讨了未来连接器的发展趋势,并给出了四个市场驱动因素以及实例。
第一,更快的数据速率;
消费者期望的飙升、人工智能 (AI) 的日益普及和不断发展的物联网(IoT) 应用将推动对越来越多数据的需求。提高数据速率的压力将持续存在,尤其是在瓶颈最严重的地方 - 数据中心内、边缘附近或传输点。
第二,更高的功率吞吐量;
未来几年可能会出现将能源从储能站转移到便携式设备的新方法。随着电动汽车 (EV)、家庭和可再生能源设施电池的激增,人们无将越来越渴望以可靠的方式将这些能源付诸行动——最好是按需使用。更高的功率是电动汽车快速充电的答案,但电压升级需要在车辆和充电点进行连接性改革。新设计还需要解决安全风险和热效应。
第三,更小的组件;
未来几年,许多行业将继续保持小型化趋势,尤其是在射频/无线设备、汽车、消费电子、数据中心和边缘计算领域。设计人员将面临创建具有更高特征密度的更小组件的持续挑战 — 这是由用户对更纤薄、更紧凑和越来越坚固的封装中高性能不断变化的期望所驱动的。
第五,非接触性连接。
360 度旋转工业机械臂的最佳连接器是什么?在未来几年内,答案可能是“不存在”。非接触式连接可以提供不受束缚的运动自由,同时消除了涉及重复手动配接和分离的任务。通过磁感应耦合在短距离传输电力和信号,在汽车、工业和消费电子等行业中具有数百种潜在应用。
尽管非接触式连接仍然是一项新兴技术,但与传统的机械连接器相比,它最终可以提高可靠性、增加耐用性并降低成本。
关于射频连接器的资料,均已经上传至射频学堂的知识星球,点击“阅读原文”即可查看。
参考资料:
1, Patents in Microwave Measurement: Measurement Connectors;
2,IEEE STD 287 Precision RF Connectors;
3, 您知道 SMA 规格的区别吗?|Elecbee 博客;
4,如何区分SMA、3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm这五种常见射频接头;



来源:射频学堂
射频微波汽车电力电子消费电子芯片材料人工智能
著作权归作者所有,欢迎分享,未经许可,不得转载
首次发布时间:2025-01-09
最近编辑:1月前
射频学堂
硕士 学射频,就来射频学堂。
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有哪些比较新的射频仿真参考书?

所以今天给大家整理了一些比较新的参考书。№1 《射频电路设计与仿真实战:基于ADS 2023》这本书以ADS 2023为平台,介绍了射频电路的设计与仿真。主要内容包括初识ADS 2023、原理图设计基础、原理图的绘制、元器件库设计、原理图的后续处理、仿真电路设计、仿真结果显示、微波网络法仿真分析、布局图设计视图、电路板设计、电路板的后期制作、微带线设计和EM仿真分析。全书内容循序渐进,案例丰富实用,讲解通俗易懂,实例操作部分配套视频教学,扫码学习,方便快捷。同时,随书附赠全书实例素材、源文件,便于读者上手实践。本书适合从事电路设计的电子、通信领域的工程师自学使用,也可用作高等院校相关专业的教材及参考书。№2 《ADS 2023射频电路设计与仿真自学速成》这本书也是以ADS 2023为平台,讲述了射频电路设计与仿真相关知识。全书共11章,内容包括ADS 2023概述、工程的管理、元器件的管理、高级原理图设计、电路仿真设计、直流仿真分析、 交流小信号分析、S参数仿真分析、谐波平衡分析与电路板设计。在介绍的过程中,作者根据自己多年的经验及学习的通常心理,及时给出总结和相关提示,帮助读者及时快捷地掌握所学知识。全书解说翔实,图文并茂,语言简洁,思路清晰。本书可以作为大中专院校电子相关专业课堂教学教材,也可以作为各种培训机构培训教材,同时适合作为电子设计爱好者作为自学辅导书。随书配送的电子资料包含全书实例的源文件素材和全部实例动画及基础知识同步讲解AVI文件,以及为方便老师备课而精心制作的多媒体电子教案。№3 《电路设计、仿真与PCB设计——从模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路到信号完整性分析》这本书也多次给大家推荐,内容非常丰富,系统论述了电路的原理图设计、电路仿真、印制电路板设计与信号完整性分析,涵盖了模拟电路、数字电路、射频电路、控制电路等。全书分为三部分:第1部分(第2~6章)介绍电路设计与仿真,在介绍了常用的电路仿真软件的基础上,详细讲解了Altium Designer模拟电路仿真、ADS射频电路仿真、ModelSim数字电路仿真、Proteus单片机电路仿真,举例说明了基本单元电路的设计与仿真方法;第2部分(第7~9章)以Altium Designer 18.0为设计工具,介绍了电路原理图和PCB设计流程、原则、方法和注意事项;第3部分(第10、11章)介绍了电路中的信号完整性规则及仿真方法。其中ADS电磁仿真部分也是采用了ADS2023版本。№4 《ANSYS HFSS实战应用高级教程》这本书以新型天线设计、微波滤波器设计和HFSS联合仿真设计为基础,对ANSYS HFSS的基本操作、高级使用技巧及实操应用进行了全面介绍。在天线应用方面,本书重点研究了当前几类热门天线,对其实现的设计思路与方法进行了深入分析;在微波器件方面,本书重点探讨了小型化和可调性两个方面,对实现小型化和可调性的最新技术和结构进行了详细阐述;在联合仿真方面,本书通过ANSYS HFSS与Python、MATLAB、Designer、optiSLang和Maxwell相结合的综合应用,对天线和滤波器的联合建模、仿真和优化进行了全面探索。本书可作为高等学校电子信息专业硕博士研究生的参考读物,也可供广大微波设计人员参考。№5《CST仿真设计理论与实践》这本书也多次给大家推荐过,2023年出版的,也是基于CST2023年版本,该书将经典理论与仿真软件相结合,从IEEE 高引论文中选取结构简单且机理清晰的仿真实例,在仿真中融入微波电路理论和天线理论。本书内容可分为两部分:第一部分(第1~6 章)主要介绍软件的基本功能,包括初识CST,建模操作,激励端口、材料库与边界条件,求解器与求解设置,结果查看与数据后处理,优化器与高性能计算等;第二部分(第7~13 章)主要介绍具体的仿真实例及相应的理论基础,包括微波滤波器,微带贴片天线设计,特征模仿真,终端天线设计,周期结构仿真,散射场仿真,基于编程调用CST 的自动化建模与仿真等。《CST仿真设计理论与实践》的仿真实例将理论与工程应用紧密结合,针对不同研究方向全面讲解了CST 的仿真技巧。《CST仿真设计理论与实践》可作为高校电子通信类专业本科生和研究生的教学用书,也可作为无线通信、微波射频和天线设计等领域技术人员的参考书籍。№6《ANSYS电磁兼容仿真与场景应用案例实战》这本书是去年9月份出版的,主要针对电磁兼容仿真设计,对电磁兼容仿真有关的基础知识、框架技术和相关工具进行系统介绍,并根据实际工程问题,归纳整理大量具体应用案例,包括机箱、线缆、PCB、整机、电磁环境等多个层次方面,涵盖实际工程问题的需求描述、仿真方法和工具、仿真流程、结果分析等多方面内容,具有极高的工程实战参考价值。№7 《MATLAB电磁场与微波技术仿真》这本书算是比较新的了,今年四月份出版的,不过是基于Matlab软件的电磁仿真介绍,也具有非常不错的参考学习价值。该书利用 MATLAB开展电磁场与微波技术领域的仿真研究。全书共分11章,内容包括 MATLAB在场论中的 应用,利用 MATLAB绘制电磁场中的线和面,利用 MATLAB实现各种媒质中的射线追踪,PDETool在二维电磁问 题中的应用,MATLAB符号工具箱及其在电磁领域中的应用,MATLAB 偏微分方程工具箱的电磁应用,MATLAB 中的特殊函数,MATLAB与人工电磁材料,优化工具箱及其在电磁问题中的应用,MATLAB 与天线和天线阵分析, MATLAB 的动画演示,常用电磁代码及 MATLAB 实现。附录包括傅里叶变换的形式及其关系,利用 MATLAB 实现 傅里叶变换和拉普拉斯变换,TM 和 TE模式,MATLAB 计算雷达散射截面,近远场转换,Kramers-Kronig公式等。本书通过专题形式组织内容,便于读者按需阅读。读者只要有《电磁场与电磁波》一书的基础知识,便可以根据 自己的兴趣和爱好,自由选择章节学习。读者在使用本书的时候,如果能够打开 MATLAB环境,边学习知识,边动 手实践,则学习效果更佳。书中绝大多数 MATLAB代码均来自科研一线,具有实用性;所列举的例子很多是科技前 沿内容,如电磁超表面、无线输电线圈互感计算、电磁隐形衣、电磁黑洞、涡旋电磁场、超级透镜等,便于开展研究性学 习。书中部分内容,如绘制电力线和磁力线、射线追踪、傅里叶变换的几种形式及其区别等,独具特色,此前尚未见到 全面、系统的论述。本书适合电子信息类、电气类专业的本科生使用,尤其适合开展研究性教学的基础理论班、创新人才培养基地等 使用,对于大学生科研有积极的促进作用。本书所提供的 MATLAB代码,是作者长期工作在科研一线的积累,具有 实用性,因此,也可以作为电磁场与微波技术、无线电物理等相关专业研究生、博士生的参考教材。№8 《IE3D射频电路设计与仿真》IE3D 仿真软件的应用没有ADS那么广泛,市面上的参考指导书也比较少,这本书主要介绍基于IE3D 15电磁仿真软件对射频电路进行设计与仿真,共包括8章内容。第1章主要介绍IE3D的基本仿真环境和设计与仿真流程等;第2章主要介绍IE3D射频电路建模、网格划分、求解频率设置等,并详细演示了微带定向耦合器的设计与仿真流程;第3章主要介绍微带滤波器设计的基础理论、设计指标及仿真流程;第4章主要介绍微带功分器设计与仿真案例,并详细描述了功分器的设计流程;第5章主要介绍微带PCB蛇形天线设计与仿真的相关知识;第6章主要介绍毫米波微带阵列天线设计与仿真的相关知识;第7章主要介绍3dB 90°电桥的基本工作原理、设计指标及IE3D设计与仿真过程;第8章主要介绍HyperLynx 3D EM与ADS、Sonnet的结合使用。全书主要着眼于使用IE3D对平面射频电路进行仿真的案例讲解,通过工程实例,广大读者可以快速上手射频微波电路设计与仿真。这些就是目前市面上(京东上)整理的比较新的射频仿真类的参考指导书,大家有什么书推荐的,也可以留言告诉我们啊。马上2025年就要到了,好多电磁仿真软件也都升级到了2025版,我觉得仿真软件自带的Help文档其实是最好的学习指导书。我最开始学习电磁仿真的时候,就是搬着HFSS那本厚厚的参考文档一个案例一个案例的学的,讲解非常细致,而且也绝对保鲜,唯一不足的就是需要补一下英语词汇量。 版权声明:射频学堂原创或者转载的内容,其版权皆归原作者所有,其观点仅代表作者个人,射频学堂仅用于知识分享。如需转载或者引用,请与原作者联系。射频学堂转述网络文章,皆著名来源和作者,不可溯源文章除外,如有异议,请与我们联系。 来源:射频学堂

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