大功率射頻同軸連接器的開(kāi)發(fā)

李旗祥

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽(yáng)，621000)

1 引言

發(fā)射功率的大小影響作用距離。大功率射頻連接器主要應(yīng)用于廣播電視的發(fā)射系統(tǒng)、通信基站、大功率雷達(dá)等將大功率射頻能量傳輸?shù)桨l(fā)射天線的場(chǎng)合。要保證大功率發(fā)射系統(tǒng)可靠工作，需要各個(gè)分系統(tǒng)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(fā)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(shí)，會(huì)承受高的電壓，同時(shí)還有大電流通過(guò)。因此，連接器允許傳輸?shù)纳漕l功率會(huì)受到電壓擊穿以及電流發(fā)熱的限制。前者取決于傳輸?shù)拿}沖峰值功率，后者取決于傳輸?shù)钠骄β?。在一般情況下，只要連接器傳輸?shù)钠骄β什粫?huì)造成連接器的過(guò)熱，其峰值功率所產(chǎn)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(nèi)部的發(fā)熱不顯著，隨著傳輸功率容量的增大，首先發(fā)生電擊穿，此時(shí)允許傳輸?shù)墓β手饕苓B接器所允許的峰值功率的限制。此外，在脈沖大功率雷達(dá)應(yīng)用場(chǎng)合，由于脈沖很短促，信號(hào)的瞬時(shí)脈沖功率很大，但其平均功率卻不大，這時(shí)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(zhǎng)期安全工作而不發(fā)生電壓擊穿的峰值功率的規(guī)定值。額定峰值功率受連接器耐峰值電壓、特性阻抗、調(diào)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(shù)條件包括頻率、脈沖寬度、占空比、持續(xù)時(shí)間(多個(gè)連續(xù)脈沖，即脈沖串)、環(huán)境等因素。脈沖寬度是指一個(gè)脈沖周期內(nèi)發(fā)射脈沖信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，一般在0.05～20μs之間，它不僅影響雷達(dá)的探測(cè)能力，還影響距離分辨力。占空比則是指在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間與該周期時(shí)間的比值(t/T，一般與單個(gè)信號(hào)周期是一致的，見(jiàn)下圖1)。例如:脈沖寬度1μs，脈沖周期4μs的脈沖信號(hào)，其占空比為0.25(25%)。

根據(jù)不同使用場(chǎng)合，脈沖寬度量級(jí)可能從μs到ms不等。脈沖寬度越寬，占空比越大，對(duì)連接器及系統(tǒng)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(jiǎn)稱平均功率)代表連接器可以長(zhǎng)期安全工作而不發(fā)生熱損壞的平均功率值。要求連接器在額定功率下運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)導(dǎo)體的溫度(溫度變化，即溫升)不應(yīng)超過(guò)所規(guī)定的允許值。

當(dāng)連接器上傳輸?shù)钠骄β蔬^(guò)大時(shí)，會(huì)產(chǎn)生內(nèi)部過(guò)熱。內(nèi)部過(guò)熱使絕緣支撐介質(zhì)變軟導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體偏心，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓛?nèi)、外導(dǎo)體之間的短路而燒毀設(shè)備。因此，內(nèi)部過(guò)熱是必須避免的。連接器內(nèi)部發(fā)熱最厲害的地方是內(nèi)導(dǎo)體，而且其熱量也最不容易散出，因此內(nèi)導(dǎo)體是連接器中最熱的地方。雖然射頻連接器的內(nèi)導(dǎo)體材質(zhì)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(zhì)會(huì)承受不了過(guò)高的溫度。

因此，連接器的平均功率取決于連接器內(nèi)部發(fā)熱情況以及其散熱的能力，并且和介質(zhì)材料的耐高溫能力相關(guān)。連接器內(nèi)部發(fā)熱取決于所傳輸?shù)钠骄β?，還與連接器(組件)本身的損耗大小相關(guān)，連接器(組件)的損耗越低，發(fā)熱就越小，可以傳輸?shù)钠骄β室苍酱蟆?/p>

連接器的散熱能力取決于連接器的熱、力學(xué)特性以及使用環(huán)境溫度等。同時(shí)，絕緣介質(zhì)的耐高溫能力，對(duì)允許傳輸?shù)墓β室灿泻艽笙拗?。例如配接的電纜用耐高溫的聚四氟乙烯介質(zhì)電纜代替聚乙烯介質(zhì)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(zhì)材料相關(guān)。連接器內(nèi)絕緣介質(zhì)材料常為聚四氟乙烯和空氣。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，連接器內(nèi)部又無(wú)法形成對(duì)流熱傳遞，散熱就主要依靠空氣熱輻射和聚四氟乙烯將內(nèi)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量傳遞到連接器外導(dǎo)體上，從而散發(fā)到周期環(huán)境之中。不同材料的熱傳導(dǎo)能力不一樣，射頻連接器常用材料導(dǎo)熱系數(shù)見(jiàn)下表1。

表1 射頻連接器常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)

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

也就是說(shuō)，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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為保證大功率射頻連接器工作的可靠性，設(shè)計(jì)需要從以下幾個(gè)方面進(jìn)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(guān)，截面尺寸越大，則功率容量越大。而對(duì)同一尺寸的傳輸系統(tǒng)，波長(zhǎng)越接近截止波長(zhǎng)，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(nèi)、外導(dǎo)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(nèi)、外導(dǎo)體之間的爬電距離越大。也就是說(shuō)，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(duì)應(yīng)插針(內(nèi)導(dǎo)體)直徑見(jiàn)下表2)。同時(shí)，長(zhǎng)時(shí)間工作在大功率情況下，為降低內(nèi)導(dǎo)體發(fā)熱，也同樣需要選擇內(nèi)導(dǎo)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(huì)引起接觸對(duì)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(shí)，接觸件發(fā)熱會(huì)使絕緣體受熱變形引起反射增大。因此，在設(shè)計(jì)大功率射頻連接器時(shí)，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?shù)牟贿B續(xù)性，如突變部分的補(bǔ)償不當(dāng)、密封圈的加入引起支撐介質(zhì)介電常數(shù)的變化、電纜與連接器端接部分的不連續(xù)等都會(huì)使反射增大。零件之間的松脫、零件的機(jī)械強(qiáng)度不夠都會(huì)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(shè)計(jì)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(fā)熱，提高系統(tǒng)的發(fā)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(dǎo)體內(nèi)表面的突變、毛刺等可能造成反射增大、射頻跳火等現(xiàn)象。因此，需要嚴(yán)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(duì)連接器耐功率的可靠性也至關(guān)重要。

因此，大功率射頻連接器設(shè)計(jì)時(shí)要保證機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、牢固，接觸件的接觸電阻要小，射頻傳輸要保持電連續(xù)性，材料要選擇得當(dāng)，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(huán)境)密切相關(guān)。連接器的平均功率承載能力與工作頻率、工作環(huán)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(guān)。連接器所能承載的平均功率可用以下公式進(jìn)行初步估算。

P=PF×CT×Ch×CV

其中，

P——連接器實(shí)際所能承載的平均功率，W;

PF——某一頻率點(diǎn)，連接器的額定平均功率，W;

CT——工作環(huán)境溫度系數(shù);

Ch——海拔高度系數(shù);

CV——電壓駐波比系數(shù)。

如下圖所示，相關(guān)設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)關(guān)系圖，可以作為功率設(shè)計(jì)的參考。

圖2 連接器額定平均功率與頻率的典型對(duì)應(yīng)關(guān)系示意圖

4 功率仿真分析

對(duì)于耐射頻平均功率，可結(jié)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(chǎng)分布，以及產(chǎn)品承受射頻功率容量情況下的性能，從而實(shí)現(xiàn)定量化的設(shè)計(jì)與分析。

大功率下電磁損耗產(chǎn)生的熱可能導(dǎo)致高的溫升，從而導(dǎo)致連接器中部分絕緣介質(zhì)變形甚至達(dá)到熔點(diǎn)而融化或失效，因此，還可通過(guò)分析電磁的熱效應(yīng)，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(duì)于大功率器件來(lái)說(shuō)非常重要，其分析可以借助于ANSYS的熱分析模塊，溫度變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)、性能變化，如結(jié)構(gòu)形變，可通過(guò)ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊得到相應(yīng)的結(jié)果。在Workbench環(huán)境下的分析流程和熱分析圖例如下。

圖3 ANSYS Workbench中電磁－熱－結(jié)構(gòu)多物理場(chǎng)耦合分析

圖4 ANSYS電磁熱分析示意圖

5 耐射頻功率檢測(cè)

射頻連接器實(shí)際耐功率是否符合要求，以前都是通過(guò)用戶系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)廠家設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了射頻功率器件的功率檢測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由功率源、計(jì)算機(jī)、顯示器、信號(hào)源、功率計(jì)和打印機(jī)等組成。使用該檢測(cè)系統(tǒng)，元器件在交給用戶之前就可以測(cè)試其耐功率性能是否滿足要求。該檢測(cè)設(shè)備可檢測(cè)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(kāi)關(guān)、定向耦合器、隔離器和微波負(fù)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(cè)設(shè)備是按照不同頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。該功率檢測(cè)設(shè)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(gè)頻段的功率測(cè)試要求。設(shè)備主要組成部分及外形如下圖。

圖5 耐射頻功率檢測(cè)系統(tǒng)示意圖

6 結(jié)束語(yǔ)

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(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，電磁熱仿真分析，射頻功率測(cè)試系統(tǒng)等內(nèi)容，可供射頻工程師設(shè)計(jì)時(shí)參考。

［1］ 張明友，汪學(xué)剛.雷達(dá)系統(tǒng).

［2］ 汪祥興.射頻電纜設(shè)計(jì)手冊(cè).

［3］ 吳正平.射頻連接器設(shè)計(jì)及論文匯編.