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盡管射頻工程師一直在努力減少射頻連接器在射頻系統(tǒng)中的應(yīng)用，但是無可否認(rèn)，射頻連接器在射頻系統(tǒng)中所占據(jù)的重要位置。一個(gè)優(yōu)秀的射頻系統(tǒng)也離不開射頻連接器的貢獻(xiàn)。
無論是在射頻系統(tǒng)的內(nèi)部，比如不同的板級之間的射頻信號的連接；抑或是射頻系統(tǒng)之間的連接，都離不開射頻連接器這個(gè)部件。
這篇文章就帶大家認(rèn)識它，學(xué)習(xí)它，并且希望能夠掌握它。
№1從UHF連接器 到 Type-N 連接器
相對于很多連接器來說，射頻連接器還是比較年輕的器件，因?yàn)樯漕l這個(gè)行業(yè)到目前位置也不過百余年。
1930年，也就是二戰(zhàn)前，UHF連接器的出現(xiàn)標(biāo)志著射頻連接器的誕生。這種連接器的最顯著特點(diǎn)是插頭中間的一根較粗的中心導(dǎo)體（約4mm粗）。而連接和固定則采用接頭上的內(nèi)螺紋與插座上的外螺紋相互咬合的方式。這種插頭并沒有防水能力，所以在室外架設(shè)時(shí)應(yīng)特別小心對雨水等自然條件的影響。這種連接器主要工作在100MHz及以下頻率使用。
在1940年左右，貝爾實(shí)驗(yàn)室的工程師 Paul Neill 為美國海軍設(shè)計(jì)了一種工作頻率更高的，具有防水功能射頻連接器，并以Neill的首字母N命名，也就是我們現(xiàn)在常用的N型連接器。隨著射頻微波技術(shù)的發(fā)展，除了N型連接器之外，BNC型，TNC型等中型連接器相繼問世。下圖給出了這三種連接器的端面圖。
1951年 General Radio 公司申請了第一款精密N型連接器的專利GR-874專利，專利號為2548457A，連接器結(jié)構(gòu)如下圖所示。這款連接器結(jié)構(gòu)簡單，并且可以工作到19.4GHz，是第一款被廣泛應(yīng)用的射頻連接器。
在1960年之后，出現(xiàn)了三款精密型連接器，分別為GR900（14mm），APC-7（7mm）和Dezifix連接器。GR900結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，制造成本昂貴，并且工作頻率較低（8.5GHz），應(yīng)用不是很廣泛；APC-7最早是由惠普的微波部門工程師Anthony Badger在1950年前后開發(fā)設(shè)計(jì)的，后來被賣給了安費(fèi)諾，安費(fèi)諾改進(jìn)并推廣了這種連接器。
惠普發(fā)明了APC-7型連接器，因此很多早期的惠普生產(chǎn)的網(wǎng)分也都標(biāo)配的是APC-7型連接器，所以在使用網(wǎng)分校準(zhǔn)的時(shí)候，一定要用適配的連接器。（這里簡單介紹一下，是德科技的前身是安捷倫電子測量業(yè)務(wù)部門，安捷倫的前身是惠普的測試測量部門和生命科學(xué)部門。）
Dezifix連接器的專利屬于羅德與施瓦茨，所以羅德與施瓦茨早期的一些儀器采用的都是Dezifix連接器。
№2從SMA到3.5mm/2.92mm
與此同時(shí)，小型化和輕量化的射頻接頭的需求被提出。1958年，Bendix Research Laboratories的John Bryant, James (Jim) Cheal 和 Vincent (Vince) McHenry 開發(fā)了一種小型射頻連接器，命名為BRM。在1962年，他們?nèi)穗x開Bendix后創(chuàng)辦了Omni Spectra，并改進(jìn)了BRM 連接器，命名為OSM (Omni Spectra Miniature)?，其工作頻率一直可以到26.5GHz。而OSM還有一個(gè)更為廣泛認(rèn)知的名稱就是SMA，開創(chuàng)了微型連接器的先河，因此 John，Jim和Vince三人還獲得了IEEE MTT-S微波先鋒獎(jiǎng)。下圖給出了常見SMA連接器的類型：標(biāo)準(zhǔn)SMA，反極性SMA。
SMA連接器的內(nèi)外導(dǎo)體之間有一個(gè)PTFE做成的絕緣子，PTFE是一種隨溫度變化的材料，因此SMA很難提供一個(gè)穩(wěn)定可靠的阻抗值?；萜瘴⒉ú块T的電子工程師Larry Renihan設(shè)計(jì)了3.5mm連接器的原型，并且兼容SMA連接器，Steven Adm和他的同事在1976年發(fā)表的論文《A new 34-GHz 3.5-mm low-cost util
ity coaxial connector featuring low leakage, low standing-wave ratio, and long life》詳細(xì)介紹了3.5mm連接器的改進(jìn)型，該連接器采用空氣填充介質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了34GHz的超高工作頻率。
1985年，Wiltron公司的射頻工程師Bill Oldfield開發(fā)了2.92mm連接器，將連接器的工作頻率推高到了40GHz，2.92mm連接器也被稱為K型連接器。并且從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來說，2.92mm連接器也是兼容SMA的。
所以，如果單純的從機(jī)械結(jié)構(gòu)上來說，SMA，3.5mm和2.92mm這三種連接器是有一定的兼容性的，如果單獨(dú)看，肉眼也分辨不出來他們的區(qū)別。
但是，標(biāo)準(zhǔn)SMA的外導(dǎo)體直徑是4.13mm，3.5和2.92 連接器的外徑分別是3.5mm和2.92mm，其尺寸并不相同，相互連接也不是理想的，甚至可能會損壞連接器。但是在實(shí)際使用中，射頻性能的下降也不是太明顯，偶爾互用一下也沒啥大的問題。№3從2.4mm到1.85mm再到1mm 從這個(gè)時(shí)候開始，負(fù)責(zé)連接器設(shè)計(jì)的射頻工程師們開始在更高頻率上下足了功夫，于是更小尺寸的連接器誕生了。
與此同時(shí)惠普公司的射頻工程師 Julius Botka設(shè)計(jì)了2.4mm連接器，直接將連接器的工作頻率推高到了50GHz，并且申請了專利，下圖介紹了2.4mm連接器的結(jié)構(gòu)圖。
不甘落后的Oldfield隨后開發(fā)了尺寸更小的射頻連接器——V 型連接器，也就是1.85mm連接器，將連接器的工作頻率進(jìn)一步推高到67GHz，下圖給出了V型連接器的部分專利視圖。
難能可貴的是，這種V型連接器的結(jié)構(gòu)尺寸上是兼容2.4mm連接器的。類似于上文提到的SMA，3.5和2.92.西安普科科技在文章中總結(jié)了這五款射頻連接器的結(jié)構(gòu)兼容特性，如下圖所示。同學(xué)們在使用的時(shí)候要加以辨別。
這還不是終點(diǎn)，在1989年，惠普公司設(shè)計(jì)并推出了外徑只有1mm的射頻連接器，這種連接器的工作頻率高達(dá)110GHz。這肯定還不是終點(diǎn)，0.8mm，0.6mm甚至更小的連接器也會隨著需求而逐步問世，Bill Oldfield在審閱高于110GHz連接器設(shè)計(jì)時(shí)曾說：I have often said that all you have to do to make a higher frequency connector is divide by two。（我常說，要制造一個(gè)更高頻率的連接器，你只需要將尺寸除以二。）。但實(shí)際上，往往不會這么簡單。
№4連接器未來發(fā)展趨勢
Molex在《Predicting the Connectivity of Tomorrow》報(bào)告中深入探討了未來連接器的發(fā)展趨勢，并給出了四個(gè)市場驅(qū)動(dòng)因素以及實(shí)例。
第一，更快的數(shù)據(jù)速率；消費(fèi)者期望的飆升、人工智能 （AI） 的日益普及和不斷發(fā)展的物聯(lián)網(wǎng)（IoT） 應(yīng)用將推動(dòng)對越來越多數(shù)據(jù)的需求。提高數(shù)據(jù)速率的壓力將持續(xù)存在，尤其是在瓶頸最嚴(yán)重的地方 - 數(shù)據(jù)中心內(nèi)、邊緣附近或傳輸點(diǎn)。
第二，更高的功率吞吐量；未來幾年可能會出現(xiàn)將能源從儲能站轉(zhuǎn)移到便攜式設(shè)備的新方法。隨著電動(dòng)汽車 （EV）、家庭和可再生能源設(shè)施電池的激增，人們無將越來越渴望以可靠的方式將這些能源付諸行動(dòng)——最好是按需使用。更高的功率是電動(dòng)汽車快速充電的答案，但電壓升級需要在車輛和充電點(diǎn)進(jìn)行連接性改革。新設(shè)計(jì)還需要解決安全風(fēng)險(xiǎn)和熱效應(yīng)。
第三，更小的組件；未來幾年，許多行業(yè)將繼續(xù)保持小型化趨勢，尤其是在射頻/無線設(shè)備、汽車、消費(fèi)電子、數(shù)據(jù)中心和邊緣計(jì)算領(lǐng)域。設(shè)計(jì)人員將面臨創(chuàng)建具有更高特征密度的更小組件的持續(xù)挑戰(zhàn) — 這是由用戶對更纖薄、更緊湊和越來越堅(jiān)固的封裝中高性能不斷變化的期望所驅(qū)動(dòng)的。
第五，非接觸性連接。360 度旋轉(zhuǎn)工業(yè)機(jī)械臂的最佳連接器是什么？在未來幾年內(nèi)，答案可能是“不存在”。非接觸式連接可以提供不受束縛的運(yùn)動(dòng)自由，同時(shí)消除了涉及重復(fù)手動(dòng)配接和分離的任務(wù)。
通過磁感應(yīng)耦合在短距離傳輸電力和信號，在汽車、工業(yè)和消費(fèi)電子等行業(yè)中具有數(shù)百種潛在應(yīng)用。盡管非接觸式連接仍然是一項(xiàng)新興技術(shù)，但與傳統(tǒng)的機(jī)械連接器相比，它最終可以提高可靠性、增加耐用性并降低成本。關(guān)于射頻連接器的資料，均已經(jīng)上傳至射頻學(xué)堂的知識星球。
參考資料:
1, Patents in Microwave Measurement: Measurement Connectors;2,IEEE STD 287 Precision RF Connectors;3, 您知道 SMA 規(guī)格的區(qū)別嗎？|Elecbee 博客;4,如何區(qū)分SMA、3.5mm、2.92mm、2.4mm、1.85mm這五種常見射頻接頭;
