FAKRA 同軸線纜在車載信號傳輸中的影響分析和應(yīng)對

朱德康

（上海汽車集團股份有限公司乘用車公司， 上海 201804）

隨著汽車智能駕駛系統(tǒng)和車載娛樂系統(tǒng)的需求日益增長，車內(nèi)信號傳輸速率隨之增加，導(dǎo)致相應(yīng)的連接線纜的傳輸頻率也逐漸增加。FAKRA同軸線纜是一種傳輸射頻信號或高清攝像頭信號的高速高頻線纜，其典型結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括：FAKRA連接器、FAKRA Inline連接器、同軸電纜、PCB板端連接器。

圖1 FAKRA同軸線纜連接結(jié)構(gòu)圖

FAKRA同軸線纜在零件匹配和汽車應(yīng)用中，回波損耗和插入損耗這兩項重要電氣性能會受到明顯影響，導(dǎo)致傳輸信號的品質(zhì)下降，影響用戶感知，甚至導(dǎo)致功能失效。本文主要分析FAKRA連接器、FAKRA Inline連接器、同軸電纜、PCB板端連接器，對整個傳輸鏈路信號品質(zhì)的影響，并提出減少影響的工程方法。

1 FAKRA連接器對整個傳輸鏈路性能的影響

在分析FAKRA連接器對信號品質(zhì)的影響之前，需要先了解連接器的設(shè)計標準，再圍繞標準分析存在的潛在影響因素。FAKRA連接器主要參考的界面尺寸標準主要有ISO 20860-1和USC AR-18，測試標準主要有ISO 20860-2，USCAR-17和USC AR-2。界面尺寸標準，定義了FAKRA連接器軸向和徑向方向的主要尺寸，包括公端連接器和母端連接器，如圖2所示（摘自ISO 20860-1）。

圖2 線端公端連接器界面尺寸標準

在軸向方向上，某些尺寸是一個尺寸公差范圍，公母兩端連接器對插后，在連接界面處存在間隙。界面尺寸公差引起的對插后的間隙對電性能產(chǎn)生影響，空氣間隙的大小影響阻抗匹配的程度。另外從標準出發(fā)，外導(dǎo)體端面處絕緣介質(zhì)材料只定義了50Ω的設(shè)計要求，在不同公司的產(chǎn)品中，絕緣介質(zhì)材料存在并不相同的現(xiàn)象，也會影響阻抗匹配的效果。故即使在界面結(jié)構(gòu)尺寸符合標準的前提下，對于不同絕緣材料和界面結(jié)構(gòu)的連接器，需要進行匹配試驗，驗證相關(guān)電性能指標是否在規(guī)定數(shù)值范圍內(nèi)。

2 FAKRA Inline連接器對整個傳輸鏈路性能的影響

在整車線束連接和組裝過程中，不可避免地采用Inline連接器進行對接，例如對于娛樂主機與外部天線的連接，娛樂主機布置在儀表臺區(qū)域，而外部天線在車頂后部，一般需要通過儀表線束、車身線束和頂棚線束三段線束來共同連接，這就會產(chǎn)生Inline連接器。

如圖3所示，做了一下連接對比：一根為完整的400mm樣本1，兩端為FAKRA連接器；另外一根為4段等長的100mm樣本2，通過3對FAKRA Inline進行串聯(lián)連接。

圖3 樣本1同軸電纜和樣本2同軸電纜

通過表1的插入損耗對比，可以發(fā)現(xiàn)在相同頻率下，樣本2比樣本1插入損耗大，是由于中間的3對Inline連接器的插入損耗在傳輸鏈路中施加了影響。

表1 樣本1同軸電纜與樣本2同軸電纜的插入損耗對比

通過表1可以看出，增加Inline連接器可以引入插入損耗，由此得知連接器插入的數(shù)量越多，插入損耗越大。同時，對于Inline連接的選型應(yīng)用，需要考慮工作頻率，在不同頻率下，插入損耗不同。在實際應(yīng)用中，還需要驗證Inline連接器的品質(zhì)穩(wěn)定性和一致性。

另外，尤其涉及到不同廠家的Inline連接時，需要評估和測試切換后的整體性能。Inline連接器配對時，如果發(fā)生阻抗失配，會引起回波損耗，導(dǎo)致信號輸出功率降低，插入損耗增大；Inline連接器的導(dǎo)體損耗、介質(zhì)損耗以及輻射能量都會引起插入損耗增大，導(dǎo)致信號輸出功率降低。

3 FAKRA同軸電纜對整個傳輸鏈路性能的影響

同軸線纜是由兩根同軸心、相互絕緣的圓柱形金屬導(dǎo)體構(gòu)成基本單元。其線纜示意見圖4。

圖4 同軸線纜結(jié)構(gòu)

在考慮到FAKRA同軸電纜時，通常認為，同軸電纜的插入損耗等于連接器和電纜的損耗之和。本文需要強調(diào)，插針和插孔的同心度和接觸狀態(tài)，對同軸電纜插入損耗的影響，“接觸不好”會導(dǎo)致同軸電纜插入損耗的增加，同時也可能體現(xiàn)為信號不穩(wěn)定或者直接開路。判定接觸狀態(tài)的好壞，除了測試公、母連接器對插后的接觸電阻之外，還可以測試標準規(guī)定的接插保持力，以衡量和判定其接觸狀態(tài)。在ISO 20860-2測試項目中明確定義了內(nèi)、外導(dǎo)體的測試方法。

影響同軸電纜插入損耗的另一個因素，是電纜的工作頻率范圍。圖5為某型號電纜插入損耗的測試曲線，可以看到，在電纜工作帶寬“線性頻段”之內(nèi)，插入損耗測試曲線的線性變化，而在帶寬之外，測試結(jié)果非線性變化，并且在某些頻點產(chǎn)生突變，從而給整個鏈路的信號傳輸帶來不可忽視的影響和后果。

圖5 電纜的工作帶寬之外插入損耗性能突變

4 FAKRA板端連接器對整個傳輸鏈路性能的影響

FAKRA板端連接器相對線端連接器，除了界面處結(jié)構(gòu)存在差異外，比較常見的差異為，公端外導(dǎo)體的端面存在兩種設(shè)計：絕緣子和空氣。這兩種界面與母端連接器對插后，會存在性能上的差異。

影響公端板端連接器性能的另外一個重要因素是，在連接器的尾部與PCB板連接的設(shè)計。圖6為一款內(nèi)導(dǎo)體平貼在電路板信號線上的板端連接器，圖7為板端連接器切除部分外導(dǎo)體后的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖6 板端連接器

圖7 板端連接器切除部分外導(dǎo)體

為了實現(xiàn)阻抗匹配，這些因素都會影響到信號的傳輸：板端連接器內(nèi)導(dǎo)體的根部（靠近連接器絕緣介質(zhì)的部位） 離PCB板的距離、板上信號線的寬度、PCB板的工作帶寬、板上信號線兩側(cè)開孔的大小。

當工作頻率超過一定的閾值時，無論是板端連接器、PCB板，以及相應(yīng)的焊接參數(shù)，都要充分論證，避免高頻信號在某些頻段產(chǎn)生突變。

5 結(jié)論

通過上述內(nèi)容可以看出，F(xiàn)AKRA同軸電纜在選擇時，需要關(guān)注電纜和連接器的工作帶寬，在整個鏈路中，每個器件的工作帶寬都會對信號傳輸產(chǎn)生影響。對于同種類別不同廠家的連接器，需要參照產(chǎn)品技術(shù)規(guī)范確認選型匹配的一致性。

整車線纜實際應(yīng)用中，對于彎折區(qū)域的同軸線纜應(yīng)用，考慮到傳輸損耗以及彎折耐久，通常會采用損耗更低、直徑更大的專用耐彎折電纜。對于布置在濕區(qū)的用電器，通常采用防水防塵的專用FAKRA連接器。對于布置在振動區(qū)域，還需考慮滿足振動需求的FAKRA連接器。

總之，F(xiàn)AKRA連接器、FAKRA Inline連接器、同軸電纜、PCB板端連接器都會對整個鏈路的信號傳輸造成影響。通過分析和掌握其主要的影響因素，制訂相應(yīng)的設(shè)計和測試措施，降低和消除這些影響，從而有利于高頻信號傳輸?shù)目煽啃院头€(wěn)定性。