射频开关基础——连接器和线缆

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今天我们接着学习射频开关相关的知识——射频开关应用的连接。学习之前，可以点击下面链接回忆一下关于射频开关之前的推文

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射频开关（RF Switch）基础

射频开关（RF Switch）基础2——开关网络的优化设计

本节主要介绍有关射频开关网络的连接部分，主要包括射频线缆和连接器部分。

在设计射频开关系统时，很容易将注意力集中在开关模块的性能上，而忽略较小的系统组件，例如电缆和连接器。然而，重要的是要了解射频系统的每一部分都会以反射和损耗的形式导致信号衰减。因此，为了获得最佳系统性能，您必须像选择正确的开关模块一样重视为您的系统选择正确的电缆和连接器。如果这样做时不小心，可能会严重影响整体系统性能。要了解如何为您的系统选择正确的电缆和连接器，了解各种可用选项的优缺点非常重要。

☆ 电缆

大多数射频系统使用同轴电缆进行信号传输。同轴电缆的三个主要部分是其中心导体、外壳和电介质，其充当电绝缘体，防止中心导体和外壳之间的电流耗散（见图 1）。由于同轴电缆在其内部（下图中的内部导体）包含传播的电磁信号，因此它们不会辐射噪声，并且不易拾取附近可能持续存在的其他信号。

同轴电缆的多种特性会影响系统性能。这些包括电缆衰减、截止频率和特性阻抗。

电缆衰减

电缆对其用于路由的信号施加的总衰减取决于其传导和介电损耗。传导损耗（也称为“电阻损耗”或“欧姆损耗”）又取决于：用于构建同轴电缆的金属（通常是铜或银，因为它们具有高导电性）以及电缆中心和外导体的直径 

减少射频系统中传导损耗的一种方法是使用直径更大的电缆。较大的电缆包含更多用于传导电流的金属，因此与较小的电缆相比，每单位长度的衰减更小。

同样重要的是要注意，电缆引入的传导损耗量取决于它用于路由的信号频率。随着频率的增加，电流密度倾向于集中在内导体的外表面和外导体的内表面附近（这种现象称为“集肤效应”）。这会导致任何电缆中的传导损耗以与感兴趣信号频率的平方根成正比的方式增加。

除了传导损耗外，电力还会在电缆的电介质（中心导体和外导体之间的材料）中耗散。这种类型的功率损耗称为“介电损耗”。对于同轴电缆，介电损耗与频率呈线性关系，并与电缆中心导体和外导体之间使用的材料的介电常数（或介电常数）的平方根成正比。在高于几 GHz 的频率下，介电损耗可能变得比传导损耗更显着。

电缆中的传导损耗和介电损耗的组合通常称为其“衰减因子”，通常以每电缆长度的 dB 表示。衰减系数的值通常列在电缆制造商的数据表中。直径较大的电缆通常表现出较低的损耗，并且能够比较小的电缆传输更高的功率水平。

截止频率

截止频率是电缆可以使用的最大频率。超过其截止频率，电缆将显着降低通过它的信号质量。电缆的截止频率与其直径成反比。因此，与较大的电缆相比，较小的电缆可以在更高的频率下运行。然而，出于所有实际目的，直径为 ½” 的更大直径电缆的截止频率远高于 10 GHz。因此，对于大多数开关系统，截止频率不像电缆衰减那么重要。

特性阻抗

为了确保射频系统中从源到负载的最大功率传输，电缆的特性阻抗应与源和负载的特性阻抗相匹配。大多数射频开关设备设计为具有 50 或 75 Ω 的特性阻抗（分别用于通信和视频应用）。同样，电缆也专为这两种阻抗而设计。电缆的特性阻抗基于其单位长度的电阻、电导、电容和电感，而这又取决于电缆的物理尺寸以及用于分隔两条导体的电介质。用于电介质的常用材料是 PTFE（Teflon®，杜邦的注册商标）和聚乙烯。图1所示电缆特性阻抗的计算公式为：

如果我们假设电介质的相对介电常数（介电常数）为 2.1，我们计算出该电缆的特性阻抗为 50.3 Ω。

可以看出，通过改变对称性（即改变内外导体的长度）或改变电介质的材料，可以很容易地改变上述电缆的特性阻抗。

所用材料的介电常数也将决定速度因子，或波沿电缆传播的速度。速度因子通常表示为光速的百分比。

施工质量

所用材料的结构和质量自然会影响电缆的性能。质量更好的材料自然会提高传输线或电缆的性能，但也会更昂贵。

所有同轴电缆均采用实心或绞合中心导体制造。两种变体都有其优点和缺点。绞合中心导体允许使用更灵活的电缆，由于电缆和连接器上的应力较低，因此使用寿命更长。另一方面，与绞合电缆相比，具有实心中心导体的电缆通常制造成本更低，并且每单位长度的衰减更低。 

除了中心导体的结构外，外导体上的绝缘或缺乏绝缘也会影响电缆中的损耗。例如，具有实心绝缘外屏蔽层的半刚性电缆类型通常具有所有电缆类型中最好的隔离规格。由于这种高隔离度，半刚性电缆非常适用于在嘈杂环境中工作的射频系统。

用于构建电缆的材料也决定了其最低和最高工作温度。某些类型的电缆设计用于在室外运行或埋设，而其他类型则不是。在设计测试系统时应小心，以确保系统中使用的电缆能够承受它们将受到的环境条件。

☆ 电缆类型

没有最适合所有应用的单一电缆。许多因素，包括性能要求、灵活性要求、价格和所需长度，将决定哪种电缆最适合给定的测试系统。以下是几种不同电缆类型的概述。

半刚性

半刚性（非一致性）电缆专为高性能应用而设计（某些电缆超过 100 GHz），在这些应用中，安装是永久性的，并且安装后电缆的移动最小。这种电缆的外屏蔽层是一块实心金属，通常是铜，必须使用专用工具将其成型到位。半刚性电缆通常不能在不损坏外屏蔽层的情况下进行改造，因此不如顺应性电缆灵活。但是，由于外屏蔽层是实心的，隔离性能是所有电缆类型中最高的。半刚性电缆通常没有外护套。

第三方供应商能够根据客户图纸将半刚性电缆弯曲成任何三维形状。半刚性电缆专为 50 和 75 Ω 射频系统而设计。

适应性  Conformable

图 3： 符合要求的 SMA-SMA 电缆

适应性电缆类似于半刚性电缆，但具有由编织材料（通常是铜锡复合材料）而不是实心金属制成的外屏蔽层。大多数符合要求的电缆类型的额定频率至少为 15 GHz。编织结构创造了一种更灵活的电缆，无需特殊工具即可弯曲到位。一旦电缆形成，它将无限期地保持其形状。适应性电缆可以多次弯曲成不同的形状而不会损坏。 

尽管它们比半刚性电缆更灵活，但适应性电缆在不经常移动的应用中效果最好。虽然比半刚性电缆更灵活，但如果电缆不断移动、弯曲或扭曲，可适配电缆的性能会迅速恶化，通常在连接器附近的电缆末端。适应性电缆通常没有外护套。 

许多供应商提供原始的符合性电缆（末端没有连接器的电缆）以及带有切割成标准长度的标准连接器的符合性电缆组件。适用于 50 和 75 Ω 射频系统的电缆。

软电缆

图 4. 柔性同轴电缆，SMA-MCX

柔性布线在测试电缆经常移动或需要频繁连接到被测设备 (DUT) 的应用中表现良好。75 Ω 柔性电缆易于弯曲以实现快速连接，但不一定保持其形状。有多种柔性电缆可供选择，具有专为低损耗、高功率或额外灵活性而设计的特殊类型。柔性电缆的隔离性能（通常列在电缆的数据表中）差异很大，取决于外屏蔽导体的覆盖范围。柔性电缆通常具有由 PVC 或类似材料制成的外护套。 

原始电缆以及柔性电缆组件的常见配置可从众多供应商处获得。具有自定义长度和连接器配置的电缆组件可以手工构建或从专门从事此类设计的供应商处购买。在电缆组件的末端添加收缩缠绕管可以通过减少弯曲半径来帮助延长其使用寿命。柔性电缆具有多种特性阻抗，包括 50 和 75 Ω。

电缆终端（连接器）

电缆终端将原始同轴电缆连接到被测设备 (DUT) 或测试系统。端接在质量和成本上都可能有很大差异。与布线一样，具体的应用或用例通常会决定哪种连接器类型最合适。将连接器连接到电缆有两种主要方法。有了合适的工具，两者都可以手工组装。大多数制造商提供他们销售的连接器的组装说明。

焊接式连接器

焊接式连接器通过焊接连接将电缆的外屏蔽层连接到连接器的外金属件。这种类型的连接器设计用于半刚性或顺应性电缆。使用焊接式连接器时，重要的是要确保整个连接器主体周围都有良好的焊脚。焊接连接通常比压接连接更强。

压接式连接器

压接型连接器使用两者之间的压缩连接将屏蔽和连接器主体固定在一起。这种连接器类型最适合与柔性电缆一起使用。连接器通常有两部分，连接器主体和压接套管。在组装过程中，电缆的屏蔽层放置在两部分之间，然后压接套管围绕连接器本体变形。使用这种类型的连接时，为了获得最佳性能，压接接头应均匀，并使用制造商建议的压接工具制作。

图 5. 压接（左）和焊接（右）型 SMA 连接器

☆ 连接器类型

多年来，许多连接器标准不断发展，每一种都有优点和缺点。与同轴电缆一样，连接器类型具有截止频率，高于该频率，它们不再有用。下文讨论了射频系统中使用的一些更常见的连接器类型。以下所有连接器均与特定特性阻抗进行阻抗匹配。此类连接器的质量因制造商而异。

N型

图 6.网络分析仪上的 N 型母接头

N 连接器是本节讨论的所有连接器类型中最早的连接器。然而，坚固耐用和高功率容量是使这种连接器在某些应用中流行的特性。它是最大频率为 11 GHz 的较大射频连接器之一。 

N 型连接器采用可手动拧紧的螺纹接口。也可以使用 75 Ω 版本的连接器，但两种版本的连接器不兼容，如果将 75 Ω N 连接器连接到 50 Ω 设备，则可能会损坏它们。大多数 N 连接器设计为仅适用于柔性同轴电缆类型，但也可以使用一些带有实心外导体的特殊电缆，设计时考虑到了灵活性。

SMA

图 7.带有母 SMA 连接器的单槽 PXI 模块

SMA 连接器在射频设备中非常常见，并且可以从众多制造商处获得。连接器本身比 N 连接器小得多，因此通常具有 18 GHz 的更高频率限制。一些制造商为高达 40 GHz 的频率制造 SMA v2.9 连接器。与 N 型连接器一样，SMA 是螺纹接口，但必须使用扭矩扳手拧紧以获得最佳性能。SMA 连接器仅制造用于 50 Ω 射频系统。

SMA 连接器广泛用于半刚性、顺应性和柔性电缆类型。

SMB

图 8.带有公 SMB 连接器的单槽 PXI 模块

与 N 和 SMA 连接器不同，SMB 连接器使用压入式接口（连接器通过将它们压在一起来配合，通常具有某种保持机制），从而可以更快地连接和断开连接。当完全接合时，连接器将咬合在一起。SMB 连接器的尺寸比 SMA 略小。不幸的是，SMB 连接器既不坚固也不精确，因此其频率范围仅限于 4 GHz。 

SMB 连接器可用于半刚性、适应性和柔性布线类型。标准 SMB 连接器仅设计用于 50 Ω 射频应用。尽管确实存在 75 Ω SMB 接口，但它与 50 Ω SMB 连接器的尺寸不同。SMB 连接不像 SMA 那样广泛使用。

BNC

图 9.带有母 BNC 连接器的单槽 PXI 模块

BNC 连接器是最古老的射频连接器类型之一，仍然广泛用于 4 GHz 及以下频率的应用中。与 SMB 连接器一样，BNC 连接器的连接和断开速度相对较快，并利用卡口接线片固定电缆。将电缆扭曲大约 1/4 圈，直到卡口接线片将两半固定在一起。BNC 连接器可用于几乎所有类型的电缆和组装方法。

迷你 75 欧姆 SMB

图 10.带有公微型 75 欧姆 SMB 连接器的单插槽 PXI 模块

mini-75 Ω SMB 是标准 50 Ω SMB 连接器的 75 Ω 版本。与其他 75 Ω 连接器相比，迷你 75 Ω SMB 的主要优势在于其尺寸。Mini-75 Ohm SMB 连接器的额定频率为 2-3 GHz，具体取决于制造商。

MCX

图 11.带有母 MCX 连接器的单插槽 PXI 模块

MCX 连接器旨在为封装尺寸更小的 RF 连接器带来更高的性能。MCX 是一种与 SMB 类似的连接器接口，但体积缩小了 30%。MCX 连接器的额定频率高达 6 GHz，并提供 50 和 75 Ω 配置。与 SMB 连接器一样，MCX 不如带螺纹接口的连接器坚固。此外，MCX 电缆可能不像 SMA 或 SMB 那样常见，因此与 MCX 连接器连接比与 SMB 和 SMA 连接器连接更困难。

☆ 结论

在设计射频系统时，您应该考虑每种连接器和电缆类型的优缺点。尽管您对系统的某些方面的控制有限，例如实际仪器（RF 分析仪和发生器）或实际被测设备 (DUT) 的连接器类型，但您可以通过选择最适合您的设备的适当电缆来提高系统性能应用程序中的连接器。.

在设计系统时，您还必须仔细挑选开关模块。例如，通常不建议选择带有 SMA 连接器的 75 Ω 开关模块，因为 SMA 连接器始终具有 50 Ω 的特性阻抗。最后但并非最不重要的一点是，您必须选择性能比 DUT 更好的系统组件。例如，在测试 4 GHz DUT 时，由带有 SMA 连接器和低损耗布线的开关和布线构成的测试系统对系统的误差比具有 SMB 连接和标准布线的系统要少。电缆和连接器可能不是射频系统中最昂贵的部件，但如果在选择时不小心，它们肯定会导致性能下降。