大功率射頻同軸連接器的開發

李旗祥

(四川華豐企業集團有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

發射功率的大小影響作用距離。大功率射頻連接器主要應用于廣播電視的發射系統、通信基站、大功率雷達等將大功率射頻能量傳輸到發射天線的場合。要保證大功率發射系統可靠工作，需要各個分系統及元器件均能承受大功率能量的傳輸要求。

2 脈沖功率與平均功率

2.1 脈沖功率

發射功率分為脈沖功率和平均功率。射頻連接器在傳輸大功率時，會承受高的電壓，同時還有大電流通過。因此，連接器允許傳輸的射頻功率會受到電壓擊穿以及電流發熱的限制。前者取決于傳輸的脈沖峰值功率，后者取決于傳輸的平均功率。在一般情況下，只要連接器傳輸的平均功率不會造成連接器的過熱，其峰值功率所產生的電壓總是大大低于連接器允許的工作電壓。在低的工作頻率下，連接器內部的發熱不顯著，隨著傳輸功率容量的增大，首先發生電擊穿，此時允許傳輸的功率主要受連接器所允許的峰值功率的限制。此外，在脈沖大功率雷達應用場合，由于脈沖很短促，信號的瞬時脈沖功率很大，但其平均功率卻不大，這時允許的傳輸功率同樣也是受連接器所允許的峰值功率的限制。

射頻連接器的額定脈沖功率即代表連接器可以長期安全工作而不發生電壓擊穿的峰值功率的規定值。額定峰值功率受連接器耐峰值電壓、特性阻抗、調制、電壓駐波比等因素的影響。

考核連接器耐脈沖功率需要確定的參數條件包括頻率、脈沖寬度、占空比、持續時間(多個連續脈沖，即脈沖串)、環境等因素。脈沖寬度是指一個脈沖周期內發射脈沖信號的持續時間，一般在0.05～20μs之間，它不僅影響雷達的探測能力，還影響距離分辨力。占空比則是指在一段連續工作時間內脈沖占用的時間與該周期時間的比值(t/T，一般與單個信號周期是一致的，見下圖1)。例如:脈沖寬度1μs，脈沖周期4μs的脈沖信號，其占空比為0.25(25%)。

根據不同使用場合，脈沖寬度量級可能從μs到ms不等。脈沖寬度越寬，占空比越大，對連接器及系統的耐功率要求就越高。

圖1 脈沖占空比圖示

2.2 平均功率

射頻連接器的額定平均功率(以下簡稱平均功率)代表連接器可以長期安全工作而不發生熱損壞的平均功率值。要求連接器在額定功率下運行時，其內導體的溫度(溫度變化，即溫升)不應超過所規定的允許值。

當連接器上傳輸的平均功率過大時，會產生內部過熱。內部過熱使絕緣支撐介質變軟導致內導體偏心，嚴重時甚至會造成內、外導體之間的短路而燒毀設備。因此，內部過熱是必須避免的。連接器內部發熱最厲害的地方是內導體，而且其熱量也最不容易散出，因此內導體是連接器中最熱的地方。雖然射頻連接器的內導體材質多為銅合金，本身通常都可以承受高溫，但與其接觸的絕緣介質會承受不了過高的溫度。

因此，連接器的平均功率取決于連接器內部發熱情況以及其散熱的能力，并且和介質材料的耐高溫能力相關。連接器內部發熱取決于所傳輸的平均功率，還與連接器(組件)本身的損耗大小相關，連接器(組件)的損耗越低，發熱就越小，可以傳輸的平均功率也越大。

連接器的散熱能力取決于連接器的熱、力學特性以及使用環境溫度等。同時，絕緣介質的耐高溫能力，對允許傳輸的功率也有很大限制。例如配接的電纜用耐高溫的聚四氟乙烯介質電纜代替聚乙烯介質電纜，則組件的允許溫升可以提高，從而提高了組件的功率容量。

射頻連接器散熱能力主要與介質材料相關。連接器內絕緣介質材料常為聚四氟乙烯和空氣。由于空氣的導熱系數很低，連接器內部又無法形成對流熱傳遞，散熱就主要依靠空氣熱輻射和聚四氟乙烯將內導體所產生的熱量傳遞到連接器外導體上，從而散發到周期環境之中。不同材料的熱傳導能力不一樣，射頻連接器常用材料導熱系數見下表1。

表1 射頻連接器常用材料的導熱系數

另外，脈沖功率值和平均功率值之間是可以通過公式進行計算的。例如，在知道占空比和脈沖功率(Pt)，時，可以計算出平均功率(Pav)。它們之間的關系式為:

也就是說，平均功率等于脈沖功率與占空比的乘積。

3 大功率射頻連接器設計注意事項

為保證大功率射頻連接器工作的可靠性，設計需要從以下幾個方面進行考慮。

3.1 射頻連接器類型

功率容量與連接器截面的幾何尺寸有關，截面尺寸越大，則功率容量越大。而對同一尺寸的傳輸系統，波長越接近截止波長，也即是頻率越接近截止頻率，功率容量就越低。

為保證連接器耐峰值功率的能力，必須考慮連接器內、外導體之間的耐峰值電壓能力。耐峰值電壓能力越高，就要求連接器內、外導體之間的爬電距離越大。也就是說，在特性阻抗確定的情況下，需要選用外形較大的射頻連接器，如TNC、N、L29等系列射頻連接器(對應插針(內導體)直徑見下表2)。同時，長時間工作在大功率情況下，為降低內導體發熱，也同樣需要選擇內導體直徑較大的射頻連接器。

表2 大功率射頻連接器插針直徑

3.2 接觸可靠性

大功率射頻連接器工作在高頻高電壓條件下，接觸電阻的變化可能會引起接觸對的溫度變化。溫度升高又使接觸件受熱蠕變，使彈性接觸件的彈性變小。同時，接觸件發熱會使絕緣體受熱變形引起反射增大。因此，在設計大功率射頻連接器時，彈性接觸件需要選擇耐溫高且彈性好的材料保證其接觸可靠性。

3.3 低電壓駐波比

射頻傳輸的不連續性，如突變部分的補償不當、密封圈的加入引起支撐介質介電常數的變化、電纜與連接器端接部分的不連續等都會使反射增大。零件之間的松脫、零件的機械強度不夠都會引起大功率射頻連接器的失效。因此，需要按照射頻連接器的設計原則，盡可能降低射頻連接器的電壓駐波比，減小能量反射以減少發熱，提高系統的發射效率。

3.4 零件加工

在加工工藝方面，各零件的尺寸精度、同軸度、表面粗糙度，特別是中心接觸件外表面和外導體內表面的突變、毛刺等可能造成反射增大、射頻跳火等現象。因此，需要嚴格控制零件的加工精度和表面光潔度。另外，連接器的電纜夾持裝置及電纜裝接工藝對連接器耐功率的可靠性也至關重要。

因此，大功率射頻連接器設計時要保證機械結構合理、牢固，接觸件的接觸電阻要小，射頻傳輸要保持電連續性，材料要選擇得當，并且在加工和電纜組件的裝接工藝方面要合理。

3.5 工作條件

射頻連接器功率承受能力與使用條件(環境)密切相關。連接器的平均功率承載能力與工作頻率、工作環境溫度、海拔高度(氣壓)以及連接器本身的電壓駐波比(VSWR)等因素有關。連接器所能承載的平均功率可用以下公式進行初步估算。

P=PF×CT×Ch×CV

其中，

P——連接器實際所能承載的平均功率，W;

PF——某一頻率點，連接器的額定平均功率，W;

CT——工作環境溫度系數;

Ch——海拔高度系數;

CV——電壓駐波比系數。

如下圖所示，相關設計資料給出了常用射頻連接器額定平均功率與頻率的典型對應關系圖，可以作為功率設計的參考。

圖2 連接器額定平均功率與頻率的典型對應關系示意圖

4 功率仿真分析

對于耐射頻平均功率，可結合ANSYS的熱分析軟件，將電磁損耗映射到熱分析軟件中，仿真得到其溫度場分布，以及產品承受射頻功率容量情況下的性能，從而實現定量化的設計與分析。

大功率下電磁損耗產生的熱可能導致高的溫升，從而導致連接器中部分絕緣介質變形甚至達到熔點而融化或失效，因此，還可通過分析電磁的熱效應，得到給定功率條件下的最高溫度以及器件的最大功率容限。

連接器的功率容限分析對于大功率器件來說非常重要，其分析可以借助于ANSYS的熱分析模塊，溫度變化導致的結構、性能變化，如結構形變，可通過ANSYS的結構分析模塊得到相應的結果。在Workbench環境下的分析流程和熱分析圖例如下。

圖3 ANSYS Workbench中電磁－熱－結構多物理場耦合分析

圖4 ANSYS電磁熱分析示意圖

5 耐射頻功率檢測

射頻連接器實際耐功率是否符合要求，以前都是通過用戶系統進行驗證。近年來，國內廠家設計并生產了射頻功率器件的功率檢測系統，該系統主要由功率源、計算機、顯示器、信號源、功率計和打印機等組成。使用該檢測系統，元器件在交給用戶之前就可以測試其耐功率性能是否滿足要求。該檢測設備可檢測雙端口器件和單端口器件，例如射頻接頭、射頻電纜組件、微波開關、定向耦合器、隔離器和微波負載等承受功率的能力。

由于不同頻段的耐功率要求差別較大，因此耐功率檢測設備是按照不同頻段進行設計和生產的。該功率檢測設備的輸入、輸出一般為N型、3.5mm、2.92mm接口，能滿足從低頻到高頻(40GHz)各個頻段的功率測試要求。設備主要組成部分及外形如下圖。

圖5 耐射頻功率檢測系統示意圖

6 結束語

文章介紹了影響峰值功率及平均功率的主要因素，大功率射頻連接器的設計注意事項，電磁熱仿真分析，射頻功率測試系統等內容，可供射頻工程師設計時參考。

［1］ 張明友，汪學剛.雷達系統.

［2］ 汪祥興.射頻電纜設計手冊.

［3］ 吳正平.射頻連接器設計及論文匯編.