射频同轴连接器、射频电缆组件工程设计资料...doc

同轴传输线、同轴连接器、射频电缆组件
工程设计参考资料
中国电子科技集团公司第四十研究所 马乃祉

D：外导体内径
d：内导体外径
εr：介质相对介电常数
μr：介质相对导磁系数
图1
表1 常用介质材料的电性能参数（25℃、标准大气压）
介质材料
常用标记
介电强度(伏/密耳)
相对介电常数εr(103Hz)
正切损耗角tgδ(100MHZ)
空气
air
80
1
0
聚乙烯
PE
480
2.3
5×10-3
交联聚乙烯
IMP
700
2.3
5×10-3
聚四氟乙烯
TFE
480
2.05
1×10-4
氟化乙烯丙烯
FEP
500
2.05
2×10-4
聚酰亚胺(改性)
PI
560
3.42
2×10-3
聚丙烯(共聚)

500～660
2.25～2.30
5×10-4
聚苯乙烯
POLY
500
2.55
5×10-4
苯乙烯聚苯撑氧
MPPO
500
2.7
3×10-3
聚苯撑硫/聚苯撑氧
PPS/PPO
600
3.3
3×10-3
改性聚苯醚

500
2.64
3×10-3

1、特性阻抗，Z0（殴姆）

精确计算：
2、单位长度电容C、电感L
（pF/英呎）
（μH/英呎） 1英呎=0.3048米
3、理论截止频率 fc
（GHZ）
λc：截止波长
C0：真空中的光速，精确值为299792458±1.2（米/秒）
精确计算：
表2 同轴传输线截止频率与相近连接器对照表(50Ω)

公称尺寸同轴传输线外导体内径（Dmm）
截止频率（GHZ）
相近的通用连接器
连接器使用上限频率 (GHZ)
εr=1
εr=1.5
εr=2
εr=2.05
16
8.48
7.30
6.58
6.52
7/16
6
12
11.31
9.74
8.78
8.69
UHF
4
11
12.34
10.75
9.57
9.49
HN
6
10
13.57
11.68
10.53
10.44
SC
11
8
16.97
14.612
13.16
13.04
BNC
4
7
19.39
16.69
15.04
14.9
N
APC-7
18
6.5
20.89
18.20
16.20
16.06
TNC
11
6
22.62
19.48
17.55
17.40
ATNC
18
5
27.15
23.37
21.06
20.88

4
33.94
29.22
26.32
26.10
SMA
BMA
26.5
3.5
38.78
33.39
30.08
29.82
APC-3.5
33
3
45.25
38.96
35.1
34.79
SSMA
35
2.92
46.49
40.03
36.06
35.75
2.9、SMK（K）
40
2.4
56.56
48.70
43.88
43.49
2.4
50
2
67.88
58.44
52.65
52.16

1.85
73.38
63.18
56.92
56.42
1.85（V）
65
1
135.76
116.89
105.31
104.38
1.0（M）
110
D/d
2.301
2.775
3.2495
3.29

4、传播速率 VP

5、延时 Tns
（ns/英吋）
6、驻波参数
反射系数 Reflection Coefficient （Γ）
反射损耗 Return Loss (dB)
电压驻波比 VSWR（ROS）
表3 VSWR、Γ、Loss换算表
VSWR
Γ
Loss（dB）

VSWR
Γ
Loss（dB）
17.3910
0.8913
1
1.0850
0.0282
31
8.7242
0.7943
2
1.0515
0.0251
32
5.8480
0.7079
3
1.0458
0.0224
33
4.4194
0.6310
4
1.0407
0.0200
34
3.5698
0.5623
5
1.0362
0.0178
35
3.0095
0.5012
6
1.0322
0.0158
36
2.6146
0.4467
7
1.0287
0.0141
37
2.3229
0.3981
8
1.0255
0.0126
38
2.0999
0.3548
9
1.0227
0.0112
39
1.9250
0.3162
10
1.0202
0.0100
40
1.7849
0.2818
11
1.0180
0.0089
41
1.6709
0.2512
12
1.0160
0.0079
42
1.5769
0.2239
13
1.0143
0.0071
43
1.4985
0.1995
14
1.0127
0.0063
44
1.4326
0.1778
15
1.0113
0.0056
45
1.3767
0.1585
16
1.0101
0.0050
46
1.3290
0.1413
17
1.0090
0.0045
47
1.2880
0.1259
18
1.0080
0.0040
48
1.2528
0.1122
19
1.0071
0.0035
49
1.2222
0.1000
20
1.0063
0.0032
50
1.1957
0.0891
21
1.0057
0.0028
51
1.1726
0.0794
22
1.0050
0.0025
52
1.1524
0.0708
23
1.0045
0.0022
53
1.1347
0.0631
24
1.0040
0.0020
54
1.1192
0.0562
25
1.0036
0.0018
55
1.1055
0.0501
26
1.0032
0.0016
56
1.0935
0.0447
27
1.0028
0.0014
57
1.0829
0.0398
28
1.0025
0.0013
58
1.0736
0.0355
29
1.0022
0.0011
59
1.0653
0.0316
30
1.0020
0.0010
60

7、电流的趋肤深度 δ
（μm）
电阻率：ρ （Ω·cm）-1
电导率： （Ω·cm）
波 长：λ （cm）
表4 部分金属的电导率
金属
电导率
渗透深度(100MHZ)
银
6.27×105
6．3
铜
5.8×105
6．6
金
4.1×105
7．2
铝
3.47×105
8．5
黄铜
≈1.5×105
≈13
黄铜或铍铜
≈1.3×105
≈14

8、同轴线的衰减 β
β=β1+β2 （dB/cm）
β1（电阻损耗）= （dB/cm）
ρ1、ρ2分别为外、内导体的电阻率（Ω·cm）-1
f：频率（MHZ）
β2（介质损耗）= （dB/cm）
9、驻波系数对衰减的影响
传输线端的负载的驻波系数本身增加了传输线的衰减

Γ2：传输线输入端的反射系数
Γ1：负载的反射系数
βL：传输线长度为L时的衰减
10、传输线内外导体间的电场 Ea（V/cm）
同轴传输线内外导体间，内导体外表面的电场为最大
（V/cm）
Um：内外导体间的峰值电压
11、传输线的最大工作电压 U（单位：伏特，50HZ有效值）

E的值由绝缘材料的特性确定，单位（伏特/cm）
表5
绝缘材料
E（V/cm）
空气
30000
空气+聚四氟乙烯
5000
空气+聚乙烯
5000
单层聚四氟乙烯
40000
单层聚乙烯
50000
12、同轴传输线的最大电晕强度 Pc

式中：U：最大工作电压 （V，50HZ有效值）
P1：同轴线内空气压力
P0：正常大气压
P1/P0：只有一部分介质是由干燥空气时才考虑，否则为1

13、同轴传输线允许传输的平均功率 Pm
（瓦）
式中：ρ0：外导体的热扩散系数 （W/cm2）
D′：外导体（壳体）的外径 （cm）
β：总衰减，最大可考虑乘1.08系数 （dB/cm）
k：反射的系数 （频率大于500MHZ时）
ρ0的值： 表6
D′（mm）
ρ0（W/cm2）
10
0.17
20
≈0.17
40
≈0.12
80
≈0.11
14、传输功率 P
（μr设为1）
同轴线的电压驻波比（VSWR）为S时，传输最大平均功率Pmax

15、介质支撑设计公式
（1）等效介电常数(εe)的计算公式
当有2种或2种以上的介质构成的支撑件，则其等效介电常数的计算方法如下：
a. 同轴分布的非单一介质

图2
b. 基本对称分布的二种介质

ε1、ε2：二种介质的介电常数
V2：对应ε2介质的体积之和
V总：二种介质的总体积之和 图3
若ε2为空气（即去除部分固体介质材料）则

（2）介质支撑件的设计公式（见图4）
当在均匀介质的同轴线中，有限长度的非相同介质的支撑件会引起TEM波的激励（高次模），影响同轴传输线的截止频率和传输性能，但在射频同轴连接器设计中，基本上不可避免地存在有限长度非相同介质支撑件（除半硬电缆直通型自由端连接器）。因此，设计、制造出优良的介质支撑件是保障连接器高性能的基础。
①支撑件的厚度（B）
a、B＜D1-d B≥2D D1是支撑件的外径
b、B引起高次模的关系式为
λg：工作波长； f：工作频率
②支撑件外径、内孔径计算（D1、d1）
D1=2h+D

注：h为支撑件外镶槽的深度
图4
h0是设内导体不变，则支撑件外镶槽的深度

③支撑件端面补偿的计算（Δ、d2、D2）（共面补偿）
d2=1～1.2d 选取
D2=0.85～1D 选取
计算Δ：
a、 计算A-A截面等效介电常数εe
b、 计算等位参考面直径D′
c、 计算外导体直径变化引起的不连续电容Cd1
内导体直径变化引起的不连续电容Cd2
不连续电容
k为修正系数，k=0.91
d、
注：具体计算应注意量纲的统一
Δ的计算值是一个参考值、应进行实测修正，也可直接用实验方法确定。制造公差应尽可能小，但可在保证D1、d1和B的尺寸精度下，控制重量一致的方法。
16、同轴变截面补偿设计
（1）台阶式变截面（错位补偿）
① 介质相同 εr =1
② 时
Z0=50Ω k=3.09
Z0=60Ω k=2.90
Z0=75Ω k=3.04
③ 时
（2）锥形变截面

介质相同 εr =1

θ1(°)
θ2(°)
a
b
c
d
①θ2采用小于12～16°
②θ2大于16°后，应采取θ锥顶的错位，（虚线中的Δ）。
③大直径比的过渡时采用锥形过渡。优于台阶式过渡。
1
15
6.6
4.30d1
1.86 D1
4.30 d2
1.86 D2
2
20
6.8
3.22 d1
1.37 D1
3.22 d2
1.37 D2
3
25
11
2.58 d1
1.07 D1
2.58 d2
1.07 D2
4
30
13.3
2.12 d1
0.865 D1
2.12 d2
0.865 D2

（3）其它轴向过渡补偿

Z0=50Ω Z0=50Ω

（4）直角弯式过渡补偿(Δ值仅供参考、应通过实验或CAD进行优化)

Z0=50Ω
εr =1

Z0=50Ω
εr =1

Z0=50Ω

17、同轴传输线的电长度 φ

式中：f：工作频率 （MHZ）
L：传输线长度 （英呎）
18、相位温度系数 PTC（PPM/℃）

式中：△T：温度变化值 （℃）
△φ：以25℃为基准的相位（电长度）变化值 （度）
φ0：绝对（总）相位（电长度）
19、射频连接器的耐功率
射频连接器的耐功率（平均功率），在标准大气压和25℃、VSWR=1，可参照表7。

频率（GHz）
（HT）=耐高温介质支撑垫圈
（FLH）=法国圣迭戈班公司注册商标：氟塑料
（HF）=高频
（EF）=扩频（展宽频率）
20、影响射频连接器传输功率的因素
射频连接器在实际使用中传输功率的大小,首先与传输波(连续波或脉冲波)有关,同时和使用频率、环境温度、大气压力以及系统的匹配状况；零件制造中的表面质量、组装中的洁净、无污染等等因素有关。表8为部分连接器最大传输平均功率的实际使用参照表。
P′=PREF·Kf·Kc·Ks·Kh
PREF：表7中选取的参考值
Kf：使用频率相关修正系数
Kc：环境温度相关修正系数
Ks：反射匹配相关修正系数
Kh：使用高度（气压）相关修正系数
表8

Kf
Kc
Ks
Kh
MCX
0.96×F-0.36
Kf max=20

SMB
SMA
3.55×F-0.44
Kf max=20
BMA
QMA
1.5×F-0.44
Kf max=13
TNC
3.47×F-0.5
Kf max=20

ATNC
3.55×F-0.44
Kf max=20

N
3.47×F-0.5
Kf max=20

HN
4.47×F-0.52
Kf max=20

SC
3.47×F-0.5
Kf max=20
7/16
2.51×F-0.46
Kf max=15
MCX、SMB PREF=100W（0.9GHZ时）

参考资料
1．《同轴式TEM模通用无源器件》 郑兆翁 1983年 人民邮电出版社
2．《同轴连接器设计参考（汇集）》 高频插头座集中设计组 1972年
3．《RADIALL》资料 2003年
4．《Astrolab》资料 2003年
5．《微波工程手册》 微波工程手册编译组 1972年
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