如何优化军事应用射频连接器的选择与实现

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射频同轴连接器和电缆是常见的元器件,在军事应用中发挥着基本不可见但非常关键的作用。该组件的工作是将频率高达数十千兆赫 (GHz) 的射频信号从天线传送到接收器。它必须可靠地处理敏感的射频信号并保持其完整性,同时要足够坚固,能够经受住战场上的严酷考验。
 
射频同轴连接器
 
对于在寻找射频连接器的工程师来说,选择成百上千,如果只是满足一些基本要求,射频连接器或多或少都一样,因此大家可能都倾向于选择最便宜的。但这将是一个错误。许多射频连接器不是按照严格的工程规格制造的,一个设计不良的元件的故障可能导致价值数百万美元的军事设施在关键时刻无法使用。这使得所选择元件按照公认的国际标准建造变得至关重要。
 
除了耐用性、防潮和防尘等机械性能,以及阻抗、频率范围、电压驻波比 (VSWR) 和绝缘电阻等电气性能外,其他因素也会影响设计。例如,在某些军事应用中,如火箭发射器导轨、光学部件内表面和小武器应用,标准不锈钢连接器的光反射会导致操作问题。在寻找坚固可靠的射频连接器时,选择信誉良好的制造商是一个很好的开始,因为这些厂商的射频连接器经过实际检验,是按照相关的军事性能规范和标准制造的。
 
本文探讨了军用射频同轴连接器的关键电气和机械选择标准。并以 Amphenol SV Microwave 的实例器件,讨论了它们的应用。特别要强调的是,对于使用黑铬射频连接器的利基应用,要使用高档次、耐用、不反光的表面。
 
高性能射频同轴电缆和连接器
 
确保射频元件能够满足军事应用严格要求的关键是购买符合相关军事性能规范 (MIL-PRF) 的元件。只有一部分制造商能够提供符合要求的射频连接器。有一家公司能做到这一点,那就是 Amphenol SV Microwave。该公司提供 400 多个符合 MIL-PRF M39012 的射频连接器。MIL-PRF-39012 是射频连接器的核心标准。它要求在多个制造阶段进行视觉、机械和电气测试,以确保符合要求。该规范还要求生产设施和工艺符合质量标准。符合 MIL-PRF-39012 规范的同轴连接器和适配器非常适合用于军事(和其他高可靠性)应用,包括雷达、SATCOM 地面设备和航空航天射频/微波组件。MIL-PRF-39012 连接器的一个关键标准是,中心引脚必须按照标准化的深度、粘附性和表面处理进行镀金。配接触头上的镀金确保了最小的插入损耗和在恶劣环境下长期良好的电气接触(图 1)。 
 
射频同轴连接器
图 1:MIL-PRF-39012 连接器的一个关键标准是,中心引脚必须按照标准化的深度、粘附性和表面处理进行镀金。(图片来源:Amphenol)
 
射频同轴电缆设计注意事项
 
在为军事应用设计射频同轴解决方案时,必须将电缆和连接器作为一个完整的系统来考虑。系统的性能高度依赖于这两个元件的完美配合。
 
典型的同轴电缆由铜芯或镀铜钢丝构成。铜芯承载着连接设备的高频输入/输出信号。同时一个通常由塑料制成的电介质绝缘体会围绕着铜芯。绝缘体的厚度是固定的,并确保铜芯和电介质周围的金属屏蔽层之间保持恒定间隙。这一点很重要,因为任何厚度的变化都会导致阻抗的变化,进而影响到信号的完整性。
 
金属屏蔽层由铜、铝或其他金属编织而成,紧紧包裹着绝缘体。其作用就是保护内芯免受外部电磁干扰 (EMI)。然后,该组件包裹在一个橡胶或塑料护套中,以对内部导体进行绝缘和保护(图 2)。户外等级的电缆需要额外的绝缘和特殊的护套,以保护电线免受阳光和湿气的影响。
 
内芯传输高频信号,而屏蔽层仅作为回流线。两个导体之间存在一个电磁场,但不超过屏蔽层。这意味着,穿过电缆的射频信号不会影响附近的电气和电子设备。
 
 
射频同轴连接器
 图 2:同轴电缆由四部分组成:内导体、塑料电介质、回路线/屏蔽层;以及外部(黑色)橡胶或塑料护套。(图片来源:Amphenol)
 
在电介质绝缘体与中心导体接触的地方,它吸收了一些电能。对于长电缆,信号的衰减可能是显著的。高效电缆使用的隔层与内导体的接触最小,并在内导体和外导体之间形成一致的空气间隙,充当有效的电介质。
 
阻抗的重要性
 
在高频射频系统中,传输效率取决于天线的阻抗与发射器或接收器的阻抗匹配。
 
显著不匹配会导致天线功效不佳,因为它干扰了前向行进的功率并产生了驻波。衡量阻抗均衡程度的一个常用指标是电压驻波比 (VSWR)。VSWR 为 1 表示没有阻抗失配损失,而更高的数字表示损失增加。例如,VSWR 为 3.0 表示大约 25% 的发射器功率在天线系统中损失。
 
射频连接器和电缆构成了天线阻抗的一部分,因此,设计者必须了解元件的阻抗值,以最大限度地提高射频系统的效率。同轴电缆的特性阻抗与内导体的外径和外导体的内径之比成正比。介质绝缘体的主要功能是设置并保持这种隔离。
 
在大多数情况下,电缆制造商提供的射频电缆阻抗为 50、75 或 95 欧姆 (Ω),尽管也有其他阻抗。除了一系列的固定阻抗外,电缆还提供不同的电介质类型、电容、外径、衰减特性和屏蔽材料。
 
版本一般按照两个系统来分,LMR(字母的含义是历史的:重要的是要知道这些电缆是一种低损耗的类型)和无线电指南 (RG)。RG 类型有更多的选择,然而并非所有的选择都符合军事规格。信誉良好的供应商可以协助处理军用器件的选择。
 
射频同轴连接器注意事项
 
射频同轴连接器能够让电缆牢固地连接到无线电设备上。无论电缆有多好,连接器不合适都将破坏电气性能。电缆和连接器之间机械上的安全和电气上的牢固配合将确保良好的信号完整性和一致的阻抗,即使在高频率下。提供完整性的一种方法是将电缆和连接器组装在一起,由制造商作为一个完整的组件交付。制造商最有能力确保高质量的连接,也会在交货前测试组件的完整性。
 
标准极化公接头的外壳内侧有螺纹,有一个中心引脚,而标准极化母接头的外壳内侧有螺纹,但没有中心引脚。将公头与母头连接在一起不是好的设计做法,因为这将增加电缆的固有信号损失。更好的做法是使用一根连续的长距离电缆,因为这将确保信号损失较低和阻抗一致。如果要将一个公接头连接到另一个公接头,或将一个母接头连接到一个母接头,正确之法就是使用同轴电缆适配器。这虽然可以用,但在高规格的应用中,不建议这样做,因为这也会增加信号损失。与电缆一样,射频连接器也有各种类型,并且有固定的阻抗值。一个常见实例是超小型 A 版 (SMA)。该连接器采用坚固的螺纹式连接机构,标准阻抗为 50 Ω,设计适用频率范围从直流(0 赫兹 (Hz))到 18 GHz。应用包括微波系统和手持式无线电(图 3)。 
 
射频同轴连接器
图 3:SMA 连接器提供螺纹连接,具有 50 Ω 的阻抗,可以处理高至 18 GHz 的射频信号。(图片来源:Amphenol)
 
另一种常见类型是超小型 B 版 (SMB)。这种产品比 SMA 小,并采用卡入式联接设计。它们有 50 和 75 Ω 两种阻抗,工作频率高至 4 GHz。与 SMA 产品相比,这种连接器不够坚固,不适合在恶劣的环境中使用。
 
其他类型的射频连接器包括
 
F 型,用于电缆调制解调器和有线电视等应用;
N 型,用于使用粗电缆的商业应用;
FME 型,用于蜂窝通信设备;
TNC 型,用于户外蜂窝应用;
以及 UHF 型,用于业余和海上无线电。
 
连接在射频同轴电缆上的射频连接器通常会拧入连接在穿板上的反极性连接器上,或直接连接到接收或发送射频信号的设备上。穿板类型有外螺纹,与电缆连接器的内螺纹配接(图 4)。选择穿板连接器时还是找制造电缆射频连接器的厂家最佳,虽然标准化确保了任何制造商的相同类型的连接器都能使用,但是总会有些意外影响因素。
 
射频同轴连接器
图 4:SMA 穿板连接器有外螺纹,与电缆连接器内螺纹配合。(图片来源:Amphenol)
 
无反光射频连接器选择
 
信誉良好的制造商会提供一系列直式、弯角以及公母连接器选择。但有些厂商,如 Amphenol SV Microwave,也在其提供的产品中包括特殊元件。该公司产品系列有一个重要补充产品,即同时用于电缆和穿板应用的无反光 SMA 射频连接器。
 
在许多军事应用中,工业射频连接器的标准不锈钢或黄铜表面可能导致问题。
例如,如果用在小武器上,这种射频连接器可以反射自然光并暴露战斗人员的位置。或者在飞机或直升机的光学系统中使用射频连接器可能会产生光伪影,破坏瞄准系统的精度。
 
为了满足对无反光射频连接器的需求,Amphenol 推出了镀黑铬的 SMA 公头电缆连接器 2911-61008(图 5,左),以及配套的镀黑铬 SMA 母头穿板连接器 2921-61689(图 5,右)。这些产品的阻抗均为 50 Ω,可以支持高达 18 GHz 的射频信号,连接次数高至 500 次。上述每个实例连接器的中心触头材料均采用镀金铍铜合金。该射频连接器设计用于 RG-405(0.085 英寸)、半刚性射频同轴电缆,符合军用规范要求,在国防应用中很受欢迎。
 
射频同轴连接器
图 5:Amphenol 军用规格 SMA 公头电缆连接器(左)和母头穿板连接器(右)提供无反光黑铬层。(图片来源:Amphenol)
 
该射频连接器的主体材料是不锈钢,上涂有符合 MIL-C-14538 标准的黑色铬层。该规格所涉及的黑铬层是军方独有的,它坚硬、附着力强、耐高温,而且完全不反光。该连接器带提供了一个不反光的 SMA 公头防尘帽 2911-61009,断开电缆后盖在母头穿板连接器上。
 
结语
 
军事应用会受到灰尘、油脂、热量和振动的影响。这些应用的连接器和电缆预计要在数年内可靠地传输高频信号。这些连接器有一些需要非反射涂层的变型,这些涂层要足够坚韧和耐用,能够承受高温和冲击而不发生裂纹或磨损。
 
本文转载自高速射频百花潭微信公众号,作者Digi-Key Steven Keeping
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