射頻連接器中絕緣子設計方法的改進
1 射頻連接器的設計原理
射頻連接器設計主要包括三個方面：a.頭部配合尺寸的選取；b.連接器內外導體與電纜內外導體之間的機械和電氣連接，包括一系列的過渡尺寸的確定；c.連接器內部因直徑突變而導致的補償結構的確定。連接器頭部可根據需要參照相關的標準規范確定其標準接口尺寸。連接器內外導體與電纜內外導體的機械和電氣連接要在保證每一截面上的特性阻抗為50Ω的基礎上，遵從“直徑漸變”原則并保證連接的穩定、可靠。補償結構的確定是設計射頻同軸連接器的關鍵所在。
為使連接器在其截止頻率范圍內保持優異的VSWR性能，在設計連接器的結構尺寸時，必須遵循三個基本原則：a.盡量減少阻抗不連續性；b.在每個截面上盡可能保持一致的特性阻抗，將其偏差控制在±0.5Ω之內；c.對于每一個不可避免的阻抗不連續性采取共面或高抗補償。在電纜內外導體與連接器內外導體的連接中，不可避免地存在著直徑變化。由于導體直徑的階梯突變，破壞了電磁場分布的均勻性，從而導致了阻抗而不匹配。根據電磁場理論可知，在導體直徑的突變處，相當于在均勻傳輸線中并聯上一個不連續電容。連接器的絕緣子起著固定連接器內外導體的作用，并能防止插針或插孔的軸向移動，同時通過對絕緣子尺寸的合理設計，使絕緣子處的感抗正好能補償內外導體直徑變化引起的不連續電容，起到高抗補償的作用，從而減少電信號在傳輸過程中的反射，*終達到減小VSWR的目的。實驗測試數據表明，絕緣子的補償間隙直接影響著電纜組件VSWR的大小，因而成為射頻連接器設計的關鍵之一。
2 絕緣子高抗補償間隙的經驗計算
在射頻連接器結構中，理想情況下特性阻抗Z。但由于內外導體直徑不可避免地存在著同時同向突變的狀況，使內外導體之間產生了電容Cd，相當于。為了使Z'c=Zc，就要設法產生一個電感，一般可采用使內外導體直徑突變處錯開一段距離△的方法（錯開處可由空氣或固體介質作為絕緣），用來補償由內外導體直徑突變引起的不連續電容，這就是以往用得很多的高抗補償法。高抗補償主要通過對絕緣子間隙的設計來補償不連續電容，使間隙段的電感與由電纜、連接器兩者內外導體直徑變化引起的不連續電容匹配，從而使整個間隙段達到50Ω特性阻抗值，在整個截止頻率范圍內獲得優異的VSWR。
傳統的絕緣子高抗補償間隙△的經驗計算公式是：（1）（2）,式中D1為較小的外導體直徑，D2為較大的外導體直徑；ε為此處介質的介電常數。在設計射頻連接器的過程中，我們可以根據（1）或式（2）初步得出絕緣子高抗補償間隙的大概值。根據SMA-J824型連接器所接電纜的尺寸，D2/D1=1.11，所以式（1）比較適合計算絕緣子的高抗補償間隙。由式（1）得到△為0.2mm。但是，按這個尺寸加工的連接器，經裝配成電纜組件后測試驗證，其性能遠遠不能滿足高頻、寬帶下的VSWR要求（見圖1）。從圖中可見，當補償間隙為0.2mm時，整個頻帶內的VSWR都不理想。這是因為，式（1）和式（2）未考慮到頻率對VSWR的影響。因此，光靠傳統的高抗補償間隙的經驗公式來設計射頻連接器已不能滿足高頻、寬帶下的VSWR要求，還需要借助于改進的設計方法理一步降低VSWR。
圖1 △=0.2mm時的VSWR
3 改進的絕緣子補償間隙設計方法
由內外導體同時同向突變而引起的不連續電容Cd可看作是內導體直徑突變引起的不連續電容Cd1和外導體直徑突變引起的不連續電容Cd2的并聯，如圖4所示，顯然，Cd=Cd1+Cd2。
（1）內導體直徑突變
計算內導體直徑突變引起的不連續電容時，假定外導體的直徑是不變的，如圖2所示。內導體直徑突變引起單位圓周長度上的不連續電容C'd1可用下列近似公式計算：（3）式中，d1，d2分別為變化前后的內導體直徑，d3為外導體直徑，ε為此處介質的介電常數。則因內導體直徑突變引起的不連續電容Cd1為：Cd1=πd3C'd1(α1，τ1)（F（4）
（2）外導體直徑突變
計算外導體直徑突變引導起的不連續電容時，假定內導體的直徑是不變的，如圖3所示。外導體的直徑是不變的，如圖3所示。外導體直徑突變引起單位圓周長度上的不連續電容C'd2可用下列近似公式計算：C'd2=C'do+6.2×10-15·(1-α2)2(τ2-1.4) (F/cm)（5）（6）圖2 內導體直徑突變式中；d1為內導體直徑，d2，d3為內導體直徑，d2，d3分別為變化前后的外導體直徑，ε為此處介質的介電常數。
則由外導體直徑突變引起的不連續電容為Cd2：Cd2=πd1C'd2(α2,τ2) （F）（7）圖3 外導體直徑突變
（3）內外導體直徑同時同向突變
內外導體直徑同時同向突變引起的總不連續電容等于內外導體直徑突變引起的不連續電容的并聯，即Cd=Cd1+Cd2，如圖4所示。以SMA-J824型連接器為例，可算得Cd為2.281×10-14F。圖4內外導體直徑同時同向突變,國外連接器的設計不僅用絕緣子補償間隙來補償不連續電容，還可以使絕緣子處的阻抗略高于特性阻抗值加以補償。由這種結構可推斷出，絕緣子補償間隙引起的電感和高于特性阻抗值的阻抗應該能補償由內外導體直徑突變而引起的不連續電容，使此處的特性阻抗盡可能等于標稱值，從而降低連接連續器的VSWR。使絕緣子處阻抗略高于特性阻抗值，可以通過減小絕緣子的介電常數，即通過在絕緣子中增加空氣來實現。SMA-J824型連接器的補償阻抗ZH取52Ω，根據特性阻抗計算公式（8）式中D為外導體內徑，d為內導體外徑。從中計算出在高特性阻抗ZH下引入空氣后的等效介電常數εe，εe=1+(ε-1)V1/V。由εe值可以得出絕緣子固體介質的直徑尺寸，其中，V是絕緣子的總體積，V1是絕緣子中固體介質的體積，ε是固體絕緣子的介電常數。*后，補償間隙可以按下式計算：（9）式中fc為截止頻率，λo為中心波長，Zc為特性阻抗，ZH為補償處的阻抗，εe為引入空氣后絕緣子的等效介電常數，Cd為不連續電容，由式（9）可得△=1mm。
為了進一步獲得優良的VSRW性能，除了補償間隙為1mm的絕緣子外，還加工了阻抗為52Ω，高抗補償間隙分別為0.8mm、12.mm、1.5mm的絕緣子做試驗。選取一些阻抗均勻的電纜作為裝配組件用電纜，以使電纜對組件的影響*小，并假設裝配工藝穩定一致，從而忽略電纜和裝配技術對電纜組件性能的影響，由此判斷連接器的結構對電纜組件的電性能的影響。把每一具有不同補償尺寸絕緣子的連接器各裝配成1m的電纜組件，測試結果表明，阻抗值取52Ω、絕緣子高抗補償間隙分別為1.2mm 的VSWR*小，如圖5所示。同時，為了便于研究，同樣加工了阻抗為54Ω、高抗補償間隙分別為0.8mm、1mm、1.2mm和1.5mm的絕緣子，并用上述相同的方法對電纜組件進行了測試。測試結果表明，阻抗為54Ω、絕緣子高抗補償間隙為0.8mm時的VSRW*小，如圖6所示。表1列舉了在0.04~18GHz頻率范圍內，連接器在不同絕緣子處阻抗值和高抗補償間隙時的1m電纜阻件的VSWR*大值（忽略可能由電纜引起的高峰）。從表1可知，VSWR對絕緣子的高抗補償間隙和阻抗值是敏感的。圖5 RH=52Ω, △=1.2mm時的VSWR,圖6 RH=54Ω, △=0.8mm時的VSWR
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