淺談微波同軸接頭的特性、種類及使用維護(hù)

司 毅

（中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇揚(yáng)州225001）

0 引言

隨著現(xiàn)代電子測量技術(shù)的發(fā)展，微波同軸接頭越來越成為微波測試中不可或缺的重要器件。在應(yīng)用中它既起到機(jī)械連接作用，又要保證電磁信號和電磁能量順利傳輸。作為信號傳輸?shù)臉蛄?，微波同軸接頭正廣泛應(yīng)用于軍事、通信、航天等領(lǐng)域。掌握其結(jié)構(gòu)特性，在不同場景中正確選擇、使用同軸接頭可以優(yōu)化系統(tǒng)性能，提高測試精度。

1 同軸接頭電氣特性

在均勻同軸電纜中，特征阻抗在電纜整個(gè)長度方向上是一常數(shù)，與電纜相連的所有設(shè)備或無源器件都應(yīng)具有與電纜相同的特性阻抗。特性阻抗不同，會出現(xiàn)不匹配和反射，從而導(dǎo)致傳輸失真。因此，精密同軸接頭主要電氣特性是接頭的特性阻抗，它直接影響了傳輸線電壓駐波比和插入損耗。此外，同軸接頭還具有電磁泄漏小，電接觸可靠，裝配方便，重復(fù)性好等特點(diǎn)。

同軸接頭特性阻抗ZO計(jì)算公式如下：

式中，ε為介質(zhì)的介電常數(shù)；D為同軸線外導(dǎo)體的內(nèi)徑；d為同軸線內(nèi)導(dǎo)體的外徑。

同軸接頭的特性阻抗由內(nèi)、外導(dǎo)體的尺寸及介質(zhì)的介電常數(shù)決定，對式（1）微分可得：

式中，ΔD為外導(dǎo)體內(nèi)徑公差；Δd為內(nèi)導(dǎo)體外徑公差；ΔZO為特性阻抗偏差。

同軸接頭的尺寸決定了其特性阻抗，因此同軸線的加工精度將直接影響特性阻抗的精度。在微波測試中同軸接頭引入的附加反射越小越好，特性阻抗應(yīng)盡量保持標(biāo)稱值，所以同軸接頭的加工工藝決定了其性能的優(yōu)劣。

2 同軸接頭結(jié)構(gòu)

微波同軸接頭主要配接方式為極性插入式，典型的接頭結(jié)構(gòu)包括中心導(dǎo)體（陽性或陰性中心接觸件），內(nèi)導(dǎo)體外的介電填充材料和最外面起接地、屏蔽作用的外接觸件，如圖1所示。

外導(dǎo)體的內(nèi)徑與中心導(dǎo)體的直徑及絕緣層的介電常數(shù)決定了此接頭的最大截止工作頻率。一般來說，導(dǎo)體截面越大，工作頻率范圍就越有限。通常最高工作頻率可以用120除以外導(dǎo)體的內(nèi)徑推算，如2.4 mm同軸接頭其工作頻率近似于120/2.4=50 GHz，許多接頭的名字也是從外導(dǎo)體內(nèi)徑的這個(gè)指標(biāo)得來的。

圖1 同軸接頭結(jié)構(gòu)

3 同軸接頭種類

在高頻尤其是微波測量時(shí)，往往需要各種不同類型的同軸接頭進(jìn)行連接或轉(zhuǎn)換，每種連接器的設(shè)計(jì)都有著特殊的目的和應(yīng)用。在射頻和微波應(yīng)用中，能否正確地選擇連接器將直接影響測試效果。同軸接頭根據(jù)外導(dǎo)體內(nèi)徑可分為1.0 mm接頭、1.85 mm接頭、2.4 mm接頭、2.92 mm接頭和3.5 mm接頭等；根據(jù)接頭極性有無極性接頭和極性接頭；根據(jù)介質(zhì)類型有空氣介質(zhì)接頭和塑料介質(zhì)接頭等。

3.1 APC-7（7 mm）型連接頭

APC-7是由HP和Amphenol公司于1960年共同研制而成的，最高工作頻率18 GHz，擁有極佳的駐波及重復(fù)性。這種接頭沒有陰性、陽性之分，其中心導(dǎo)體上有一個(gè)彈簧套頭稍凸前于外導(dǎo)體的配合面，連接時(shí)彈簧套筒被壓倒，與外導(dǎo)體相同平面。在實(shí)際應(yīng)用中是最好用的一種接頭，但由于其制作成本偏高，主要用于高端精密測量領(lǐng)域，特別適合在計(jì)量和校準(zhǔn)中使用。

3.2 N型連接頭

N型連接頭起源于20世紀(jì)40年代，起初的工作頻率為4 GHz，后經(jīng)不斷改良，目前精密型可工作于18 GHz。N型連接頭具有極性，分為陽性接頭和陰性接頭，當(dāng)接頭互相連接后，陽極觸針插入陰極觸針。這種接頭具有可靠性高、抗震性好、機(jī)械和電氣性能優(yōu)良等特點(diǎn)，目前是應(yīng)用最為廣泛的連接器之一。

3.3 SMA型連接頭

SMA是最常用的微波接頭之一，其中心導(dǎo)體與外導(dǎo)體間使用聚四氟乙烯介質(zhì)，是有極性接頭。精密型SMA接頭最高工作頻率可達(dá)26.5 GHz，由于SMA的介質(zhì)支撐固定起來比較困難，大多數(shù)SMA連接頭的反射系數(shù)比其他同頻段連接頭要大。這種接頭造價(jià)低廉，但受限于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使用壽命僅有幾百次，適用于半鋼電纜和固定連接的部件中。

3.4 3.5 mm連接頭

3.5 mm連接頭尺寸與SMA型連接頭相同，但3.5 mm連接頭中心導(dǎo)體與外導(dǎo)體之間是空氣介質(zhì)，因此它的工作頻段更高，最高可達(dá)34 GHz，重復(fù)性很好，多用于測試端連接。3.5 mm連接頭與SMA接頭連接方式同N型接頭一樣，均為陽性觸針插入陰性觸針內(nèi)，且由于兩者尺寸相同，因此可以相互配接。值得注意的是，SMA為低價(jià)非精密器件，易有毛刺形變，兩者配接時(shí)需注意防止SMA陽頭損壞3.5 mm陰頭。

3.5 2.92 mm連接頭

2.92 mm連接頭因其外導(dǎo)體內(nèi)徑為2.92 mm，被稱為2.92 mm連接器；最高工作頻率可達(dá)40 GHz，覆蓋微波波段的K波段，又被稱為K連接器。2.92 mm連接器中心導(dǎo)體的尺寸和SMA、3.5 mm相同，可以相互配接。

3.6 2.4 mm連接頭

2.4 mm連接器由于其外導(dǎo)體內(nèi)徑為2.4 mm，被稱為2.4 mm連接器；工作頻率達(dá)50 GHz，因其工作波段覆蓋微波的Q波段，也被稱為Q連接器。2.4 mm連接器設(shè)計(jì)上通過增加外壁厚度、增強(qiáng)陰性銷釘，解決了2.92 mm和SMA連接頭脆弱問題。基于不同的應(yīng)用場景，2.4 mm連接器又分為三種質(zhì)量等級：生產(chǎn)級、儀器級和計(jì)量級。生產(chǎn)級成本低、壽命短，適合在連接頻率低、重復(fù)性要求不高的部件中使用；儀器級能提供比較好的測試性能和較小的公差，適合在測量中使用；計(jì)量級的連接器尺寸最精確、性能最好、重復(fù)性最高，同時(shí)成本也是最高的，一般用在需要精密連接的應(yīng)用場合。

3.7 1.85 mm連接頭

1.85 mm的連接是由Agilent公司開發(fā)的產(chǎn)品，目前其最高工作頻率高達(dá)70 GHz。此連接器外導(dǎo)體內(nèi)徑為1.85 mm，中心導(dǎo)體與2.4 mm連接器相同，可直接互相配接。

3.8 1.0 mm連接頭

現(xiàn)代毫米波行業(yè)的快速發(fā)展已經(jīng)將測試帶寬推動至W波段（70～110 GHz），傳統(tǒng)測試中往往需要切換到波導(dǎo)。1.0 mm連接器最高支持達(dá)110 GHz的帶寬，它的出現(xiàn)極大地簡化了測試步驟。

此外，還有BNC、TNC、SMB、SMC、OSP等等各類連接器廣泛用于軍事和通信領(lǐng)域，這里不再贅述。表1展示了幾類常用同軸接頭的參數(shù)及互通性對比。

表1 幾類常用同軸接頭的參數(shù)及互通性

4 使用維護(hù)

在微波測量中，頻繁地連接或斷開會影響同軸接頭的使用壽命，而毫米波頻率范圍內(nèi)的連接器是非常昂貴的。因而需要正確使用和維護(hù)同軸接頭以最大化同軸連接器的使用壽命，提高測試精度。

（1）在每次連接之前應(yīng)仔細(xì)檢查接頭中心導(dǎo)體是否變形或折斷，配合面有無金屬或金屬屑附著。配合面上的污垢或金屬微屑可能會造成接頭受損，降低測量精度。此時(shí)可選擇壓縮空氣或棉擦對接頭表面進(jìn)行清潔，當(dāng)必須使用溶劑清潔時(shí)應(yīng)避免使用酒精、甲醇等對微波接頭塑料介質(zhì)有害的液體。

（2）在檢查、清潔、使用任何微波部件、整機(jī)上的接頭時(shí)必須做好防靜電措施。人體的靜電電壓可能高達(dá)上萬伏，如果接觸到接頭中心導(dǎo)體時(shí)放電可能會直接損壞內(nèi)部電路器件。工作中需要使用的器件應(yīng)置于防靜電墊上并良好接地，作業(yè)前操作人員應(yīng)佩戴接地手腕并接地放電后方可操作。

（3）由于SMA連接器的精密度相對較差，在使用SMA半剛性陽頭線纜時(shí)，如果在靠近接頭的地方彎曲，可能會改變SMA陽頭內(nèi)針的長度，從而造成與這根線纜連接器互連的3.5 mm或2.92 mm陰連接器損壞。

（4）在使用同軸接頭時(shí)，要在同軸方向?qū)?zhǔn)后將接頭平緩?fù)迫氩⑥D(zhuǎn)動接頭螺母。擰緊時(shí)加到螺母上的力要適當(dāng)，用力過小會導(dǎo)致連接處的接點(diǎn)間隔過大，增加接口處的反射系數(shù)，降低信號傳輸效率；用力過大，又會影響接頭的壽命。理想的方式是根據(jù)同軸接頭的類型選用合適的力矩扳手做最后連接，如表2所示。

表2 扭力扳手

（5）微波同軸接頭使用后應(yīng)在結(jié)合面蓋上塑料罩，盡量不要在接觸端暴露情況下存放，更不能置于易發(fā)生碰撞的位置，否則可能導(dǎo)致接頭永久性機(jī)械損傷。存放電纜時(shí)應(yīng)將接頭蓋上塑料護(hù)罩并保持其自然形狀，不應(yīng)拉直或小角度彎曲。

5 結(jié)語

本文通過介紹常用轉(zhuǎn)接頭的結(jié)構(gòu)特性、技術(shù)特點(diǎn)及使用要求，為正確選擇、使用和維護(hù)微波同軸接頭提供了參考和借鑒，以便在測試中獲得更高的測量精度和使用壽命，優(yōu)化測量系統(tǒng)性能。