发布日期：2022-10-09 点击率：80
射频 (RF) 连接器及其完整的同轴 (Coax) 电缆组件在电路板、子组件和机箱之间提供了重的要信号通道。适当的连接器至少能提供所需的最低电气性能和机械强度。然而，多年来一直使用的射频连接器系列，包括卡口连接 BNC 连接器在内由于其物理体积和性能限制，已经不能满足需要。
为了应对当今设计的诸多挑战，工程师可以从几个主要系列的许多特定类型中进行选择，每种类型都提供更高带宽、更小体积和使用更细同轴电缆的一些组合。这些连接器有多种 PC 板端接方式以及电缆端接类型，以满足多种类别的物理安装优先需求。因此，设计人员必须首先选择合适的连接器系列以满足设计要求，然后在该系列中选择样式。
本文将介绍五种广泛使用的千兆赫兹 (GHz) 范围射频连接器系列。本文还将关注与此密切相关的问题，即使用 Würth Elektronik 的不同系列的组件，用所选的连接器连接成完整的电缆组件。
澄清连接器相关术语很重要。“连接器”是指可以根据需要进行配接和拆接的金属端接器件，而“电缆”则是由内部铜导体、间隔电介质、外屏蔽层和绝缘层组成的同轴线，并在绝缘层上固定了连接器。“电缆组件”是指电缆与在其一端或两端配备的连接器的组合。但在闲谈时，“电缆”一词经常用来代替“电缆组件”，其实际含义常常可以通过上下文看出。我们将在本文中严格使用这些术语。
虽然连接器是无源器件，不提供任何信号处理或增强功能，但它们几乎是所有产品设计中必不可少的部分。“理想”连接器具有关键的机械属性，如方便的配接和拆接、机械和电气的完整性，而且它在电气方面是不可见的，不存在直流欧姆电阻或射频阻抗不连续。随着工作频率的增加，连接器在设计、制造和使用方面的挑战也在增加。随着所需工作频率扩展到射频领域，达到并超过千兆赫兹 (GHz) 范围，其机械结构必然变得越来越精确，且具有许多关键的性能属性和参数。
诸如 BNC (Bayonet Neil-Concelman) 等经典连接器分为 50Ω 和 75Ω 两个版本（后者用于视频和电视），并且自 20 世纪 50 年代直至今天，仍被广范围使用（图 1）。这种锁定式连接器的特点是将“卡扣”系统旋转三分之一圈即可实现连接器快速连接/断开。虽然通常的频率响应额定值为 4 GHz，但在较高频率下，连接器的损耗往往会提高到一个无法接受的水平。从物理上讲，由于其体积相对较大，而且作为完整的电缆组件时最小弯曲半径较大，因此并不适合目前的紧凑、密集型设计。
图 1：BNC 连接器包括一个卡口主体锁，自 20 世纪 50 年代初以来一直被广泛使用，但对于当今许多空间受限的高频应用来说，其电气或机械性能并不理想。公插头通常配合电缆组件（左）使用；母插孔（右）用于仪表面板。（图片来源：Wikipedia;Pinterest）
许多行业标准连接器系列都可用于更高频率、更紧凑的应用。其中最受欢迎的是 SMA、SMB、SMP、MMX 和 MMCX 系列，这些电缆都具有标准的 50 Ω 射频阻抗。每种产品又都具有不同的电气和机械特性组合。与 BNC 连接器的 17 毫米 (mm) 直径相比，这些连接器的直径要小得多，在 5mm 范围内。
本文将选取每个系列中的一个连接器进行探讨。然而，每个连接器系列都会有许多版本的电气规格几乎相同，但机械配置和布局却大不相同。其中包括印刷电路板（PC 板）版本：具有直角或直式主体，采用表面贴装、通孔安装或末端装接形式；后部安装穿板类型；以及面板安装版本：采用焊杯、扁平凸片或圆柱连接形式。此外，电缆末端的配接连接器也有不同的布局，如直式和直角版本。
特定的连接器类型拥有如此多的选择，这对设计者来说是件好事，因为这样就会很容易地找到一种现成的、具有特定外形尺寸并能非常适应产品设计和限制的连接器。这意味着产品的机械设计优先级几乎不需要改变。现在，我们来了解一下这五个系列：
•SMA：超小型 SMA 系列同轴连接器采用螺纹耦合技术设计，可确保器件在高强度振动下也具有高机械稳定性（图 2）。连接器的中间触头和绝缘体增大了轴向力和扭矩。中间触头上的厚金镀层有助于提高电气性能，并可实现 500 次配接。
图 2：超小型 SMA 系列连接器采用螺纹联接，可增加高强度振动下的机械完整性。（图片来源：Würth Elektronik）
这类连接器中一个很好的例子便是 Würth Elektronik 的 60312242114510，这是一个 DC 到 10GHz 的 SMA 插孔连接器，带有一个母插座（图 3）。该连接器设计用于板边缘使用和末端装接方向。这种面板安装式焊接连接器还配有一个前端螺母和锁紧垫圈，方便在穿孔板（面板）上固定，以增加最终产品的刚性。
图 3：60312242114510 DC 至 10GHz SMA 连接器插孔带有母插座，包括一个前端螺母和相应的锁紧垫圈，以便在通过面板或穿孔板安装时提高机械完整性（所有尺寸都以毫米为单位）。（图片来源：Würth Elektronik）
主要的射频规格包括电压驻波比 (VSWR) 低于1.2、在 DC 到 12.4 GHz 范围内的插损 (IL) 小于 0.14 分贝 (dB)、从 12.4 GHz到 18 GHz 范围内的 VSWR 和 IL 数分别为 1.4 和 0.2dB。
•SMB：SMB 系列连接器设计为卡扣式耦合，宽带能力为 DC 至 4 GHz。该系列尺寸比 SMA 系列更小，因此非常适合电路小型化。在现有的 SMB 连接器中，有用于通孔和表面贴装的 PC 板插座，也有用于插头和插孔的边缘卡和电缆连接器（图 4）。
图 4：SMB 连接器是卡扣式无螺纹器件，尺寸比 SMA 连接器小，同时提供有一系列配置。（图片来源：Würth Elektronik）
例如 61611002121501 就是一种 SMB 连接器，它具有一个公插针、直角、通孔、焊接连接器插孔，VSWR 为 1.5，插损低于 0.2 dB（图 5）。和 SMA 器件一样，这种连接器的额定配接次数也是 500 次。
图 5：61611002121501 SMB 连接器是专为通孔板连接和焊接而设计的卡扣式直角单元，外形比 SMA 单元小，但规格相当。（图片来源：Würth Elektronik）
•SMP 系列：该系列连接器采用滑入式和卡扣式结构，可用于高达 40 GHz 的应用。该系列提供三种接口：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），通过模块化系统和应用的滑动触头实现最低保持力（图 6）。
图 6：SMP 系列中的连接器提供了多种保持力等级，包括用于中低保持力等级的有限凹陷（左）和 500 次配接能力；以及保持力等级最低但配接次数加倍的平滑孔（右）。（图片来源：Würth Elektronik）
60114202122305 连接器属于该系列，这是一种表面贴装式边缘卡连接器，带有一个加长焊脚，用于最大厚度为 1.2mm 的电路板（图 7）。该连接器的指定 VSWR 为 1.5，从 DC 到 12 GHz 的插损为 0.42 dB。
图 7：60114202122305 是 SMP 系列中的平滑孔、边缘卡连接器，额定频率为 12GHz。（图片来源：Würth Elektronik）
•MCX 系列 CX（微同轴）系列中的连接器具有快速方便的连接机构，适用于 DC 至 6 GHz 工作范围（图 8）。该系列连接器符合 IEC 61169-36 “射频连接器 - 第 36 部分：微型射频连接器，卡扣式耦合 - 特性阻抗 50Ω（MCX 型）”。
图 8：MCX 连接器系列是一个兼容 IEC 61169-36 标准、外形更小的卡扣式连接器系列。（图片来源：Würth Elektronik）
60612202111308 是 MCX 系列中的一款表面贴装、边缘发射插孔连接器，适用于厚度达 1.6 mm 的电路板。该器件的 VSWR 为 1.3，且在该范围内的插损为 0.25 dB，额定配接次数为 500 次。
图 9：MCX 系列 60612202111308 表面贴装、边缘装接插孔的插损仅 0.25 dB 至 6 GHz。（图片来源：Würth Elektronik）
•MMCX 系列： 该系列连接器比 MCX 连接器小约 30%，适用于要求超小型设计的应用（图 10）。该系列采用卡扣式耦合机构，连接方便快速，而且符合 IEC 61169-36 标准。
图 10：MMCX 系列连接器比 MCX 系列小约 30%，但射频性能相当。（图片来源：Würth Elektronik）
例如，66046011210320 MMCX 插头是 MMCX 系列中的公插针、“自由悬挂”（直插）、压接式连接器（图 11）。这款 6 GHz 连接器可与 RG174、RG316 和 RG188 同轴电缆配合使用，其 VSWR 为 1.3，插损为 0.3 dB。
图 11：66046011210320 MMCX 插头设计用于压接在 RG174、RG316 和 RG188 等同轴电缆上。（图片来源：Würth Elektronik）
鉴于可用的连接器种类繁多，不可避免地需要适配器来实现一个系列与另一个系列之间的相互连接。Würth Elektronik 提供了多个完整的适配器系列，支持从一种连接器类型和极性到另一种连接器类型和极性的转换，例如从 SMA 插头和插孔转换到其他的连接器插头和插孔系列（图 12）。
图 12：所示为许多现有的 SMA 插头和插孔适配器，可实现到 SMB、MCX 和 MMCX 系列各类连接器的无缝过渡。（图片来源：Würth Elektronik）
还有一种首先会让设计人员感到困惑的特殊连接器类型：反极性 (RP) 连接器。标准的连接器配置是插头上有一个公头（插针）中间触头，插孔上有一个相应的母头（插座）。但在美国，联邦通信委员会 (FCC) 规定在一些特殊情况下必须将极性反向。
这种情况可以追溯到几十年前，在消费类无线 Wi-Fi 路由器问世之时。这种路由器是为有限范围而设计的，采用了一种小型天线，其底部有一个连接器，可以直接拧入 Wi-Fi 单元的天线连接部分，因此无法重新定位天线。然而，FCC 担心最终用户会试图使用扩展放大器和/或外置天线来提高设备的传输范围，进而造成 Wi-Fi 频段干扰。他们的“解决方案”是尝试通过强制要求这些无线设备（通常使用 SMA 连接器）使用 RP 连接器，使其与标准的外扩展器件不兼容，以增加这些扩展器件的连接难度（图 13）。
图 13：RP SMA 插头和插孔连接器与传统 SMA 连接器相比，中心导体极性相反；从左到右，标准 SMA 公头连接器、SMA 标准母头连接器、RP-SMA 母头连接器、RP-SMA 公头接器。（图片来源：维基百科）
然而，在很短的时间内采用 RP 连接器端接的电缆组件得以普及，并成为外置式 Wi-Fi 移动天线等设备的标准扩展器件（图 14）。
图 14：这款外置式 Wi-Fi 天线可以随意移动以找到最佳位置，并且由于采用 RP-SMA 连接器，因此可兼容 Wi-Fi 路由器上的天线接口。（图片来源：Amazon）
图 15：反极性 (RP) 连接器有多种电路板样式和电缆端接配置。（图片来源：Würth Elektronik）
63012042124504 是一款面板安装、通孔焊接式 RP-SMA 插孔连接器（图 16）。这款连接器的特点是在 DC 到 12.4 GHz 范围内 VSWR 为 1.2，在 12.4 GHz 到 18 GHz 范围内为 1.4，而这两个频率范围内的插损分别为 0.14 dB 和 0.2 dB。
图 16：63012042124504 是一款反极性 SMA 连接器，设计用于通孔安装和焊接。（图片来源：Würth Elektronik）
连接器只是射频信号路径方案的一部分，其插头通常安装在标准同轴电缆上，如 RG174、RG316 和 RG188 等。虽然都是用于射频工作的 50 Ω 电缆（视频系统有 75 Ω 电缆和连接器），但它们在频率范围、衰减、直径、介电类型、相位特性、功率处理、最小弯曲半径、外部护套和其他机械和电气属性方面都有所不同（图 17）。
图 17：设计者可以在许多 50 Ω 同轴电缆中选择，这些电缆的电气和机械特性各不相同。所示为一些常见标准同轴电缆的衰减与频率的关系——这是一项重要规格。（图片来源：Würth Elektronik）
设计者还必须决定是自己制造同轴电缆组件还是购买现成的——这是一个经典的“制造”与“购买”的问题。可以根据需要用选定的连接器来端接这些同轴电缆——“制造”是既是选项又是挑战，在许多情况下都需要技术、实践、时间、合适的压接及其他工具。
此外，这些已完成的电缆组件不仅需要进行简单的连续性测试，还需要检查射频性能指标，如带宽和平坦度、阻抗不连续性、损耗和相位偏移等。这些电气测试不仅耗时，还需复杂的测量设备，而且组件需要通过防拉线扣来提高机械坚强度。
幸运的是，有许多不同长度的电缆组件已作为最常见的电缆和连接器类型的标准备货项目。这些器件也提供定制长度和连接器配对，且交货时间很短。例如，Würth 65503503530505 器件是一款 12 in./305 mm 长的电缆组件，两端采用直式 SMA 公插头，采用 RG-316 同轴电缆（外径 0.102 in./2.59 mm），并在连接器/电缆连接处增加了热缩管，以减轻应力、增强坚固性（图 18）。
图 18：65503503530505 是一款标准的 12 in 同轴电缆组件，采用 RG-316 电缆，两端具有直式 SMA 公插头；注意连接器和电缆之间的防拉线扣。（图片来源：Würth Elektronik）
该电缆组件的数据表包括全面的机械和材料细节、尺寸，以及 DC 至 6 GHz 的 VSWR (1.3) 和插损 (1.2 dB) 的保证规格。还有一张图标表显示了每 100 英尺衰减与频率的关系，因此用户可以快速确定这种长度或任何选定长度的电缆组件的衰减特性（图 19）。
图 19：所示为 65503503530505 电缆组件的衰减与频率的关系。（图片来源：Würth Elektronik）
各家厂商提供的各种电缆组件并不局限于两端配备同类连接器，而且还可以直接解决互连和过渡问题。例如，65530260515303 是一种采用 RG-174 电缆的短电缆组件（6 in/152 mm），其一端是 RP-SMA 穿板式公头插孔，另一端是直式 MMCX 公头插孔（图 20）。
图 20：电缆组件也可以作为不同连接器系列之间的过渡器件，例如 65530260515303 电缆组件采用 RG-174 电缆，其一端是 RP-SMA 穿板式公头插孔，另一端是直式 MMCX 公头插孔。（图片来源：Würth Elektronik）
采用这些连接器及其电缆组件时，还有一点需要注意：那就是这些器件体积很小，有时在拧紧或松开其螺纹本体时会很困难。同时，所需的扭矩应达到规定数值：扭矩过小可能造成无法可靠接触，过大可能会造成螺纹受力变形，导致配接/拆接次数减少。为此，Würth Elektronik 推出 6006330101 WR-Tool，这是一款适用于所有 WR-SMA 连接器的小型扭矩扳手（图 21）。
图 21：6006330101 WR-Tool 可确保 SMA 连接器螺纹体受到的扭矩正确且一致。鉴于 SMA 本体尺寸较小，这种操作通常是一项挑战。（图片来源：Würth Elektronik）
使用该工具可确保所施加的连接器扭矩符合规定，从而确保正确的触头配接，最大限度地提高可靠性和性能一致性。
对于频率扩展到千兆赫范围的射频电路和系统的设计者来说，可以选择不同尺寸、主体样式、极性布局和其他关键参数的连接器。确保电路、子电路和系统之间可靠、一致的低损耗信号路径是一种挑战，通过选择电气和机械规格合适的连接器并正确将其扭紧，就能最大限度地克服这一挑战。
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