一些工程師開玩笑說，互連只不過是另外兩個潛在問題源之間的潛在問題的根源。

 

當然這有一定的道理，但互連不僅僅是由屏蔽和絕緣體包圍的銅線。今天的同軸電纜組件是從電氣和機械角度進行高度設計的，并且通常包含用于機械、化學和其他保護的附加外層。 本文將探討電纜（電線）以及完成互連電纜組件的連接器。

 

問：電纜與互連或電纜組件之間有什么區(qū)別？

答：嚴格來說，電纜只是電線的長度（這里是同軸電纜）。互連或電纜組件是連接有連接器的電纜。然而，流行的使用并不精確（在許多情況下也不需要精確），因此術語“電纜”通常指的是完整的電纜及其連接器。

 

問：為什么要使用同軸電纜？什么是同軸電纜的替代品？

答：對于除極少數(shù)情況外的所有情況，同軸電纜用于在較高頻率下將RF/微波功率從A點傳送到B點。傳輸射頻功率而損耗很小的唯一可行替代方案是波導，這是一種剛性組件，它更難以指定、制造和使用。多年來，它是唯一的選擇，在功率水平很高的情況下（數(shù)千瓦和更高的水平）它仍然是唯一選擇。但是許多應用的功率水平要低得多，只有1瓦或幾瓦。

 

問：同軸電纜的主要趨勢是什么？

答：雖然主流應用曾經在1 GHz左右，但今天的智能手機和其他應用的運行頻率為5和10 GHz。有些應用正在達到毫米波范圍（高達100 GHz），包括新興的5G無線標準，其工作頻率為20、30和50 GHz，自動雷達工作頻率為70-80 GHz。因此，需要以合理的成本為這些更高頻率和更短波長的應用提供高性能同軸電纜。

 

問：為什么設計和構建這些更高頻率的電纜很困難？

答：這可歸因于物理定律和麥克斯韋方程。在這些較高的頻率下，任何理論偏差都是有害因素，即使很微小。更高的頻率意味著更短的波長，因此電纜的尺寸要更小，因此公差必須相對于尺寸更緊密。一些多GHz電纜現(xiàn)在的直徑只有幾毫米，比較低頻率的電纜小十倍。這種情況正在加劇，從而許多這些電纜需要機械堅固。

 

在某些性能最高的應用中，由于彎曲、溫度變化和其他“正常”變化而在電纜參數(shù)中發(fā)生的細微變化，都將使得性能被降低。一些供應商提供專門設計和制造的電纜以抵抗這些變化，但需要付出代價；在其他情況下，例如相控陣雷達系統(tǒng)，電纜必須進行插拔，以便跟蹤并隨溫度變化而變化。

 

問：同軸電纜的基本結構是什么？

答：有三個主要部件，如圖1所示。中心導體是由銅和少量鋁制成的實心或絞合線。該中心導體被介電材料包圍（通常是塑料和/或泡沫的混合物），使中心導體保持隔離、筆直和精確定位。電介質的選擇會影響電氣和機械性能，這是一個關鍵因素。

 

圖1：同軸電纜概念簡單，其單個中心導體通過介電材料與外屏蔽分開。

 

一些電介質可以處理更高的功率，更具抗壓性，并且在整個頻帶上具有更一致的性能。請注意，一些較為便宜的同軸電纜使用了低質量的電介質，這會帶來邊際的、通常不穩(wěn)定的性能。這對于低端應用來說可能是令人滿意的，但是在需要中等到高性能的應用中會導致嚴重的、難以定位的問題（令人遺憾的是市場上存在許多偽造或貼錯標簽的電纜）。

 

在電介質的外側是同軸電纜的屏蔽，在大多數(shù)情況下它由銅/鋁箔和/或金屬絲編織物制成。最后，整個組件由護套（通常為PVC）覆蓋，以保護其免受環(huán)境影響并抵抗包括擠壓、扭曲和扭結在內的損害。

 

如圖2所示，還可能有額外的外層用于額外的保護；用于多GHz工作的高性能電纜是精心設計的無源元件。

 

圖2：實際同軸電纜增加了與應用的電氣和機械要求相匹配的功能，如PhaseFlex電纜所示。

 

問：大多數(shù)微波/毫米波電纜的阻抗是多少？

答：電纜的特征阻抗是一個重要參數(shù)，因為所有源和負載必須是阻抗匹配的，以實現(xiàn)最大功率傳輸和最小反射。幾乎所有的微波/毫米波電纜都需要提供50歐姆的阻抗。

 

問：為什么是50歐姆？

答：1929年，貝爾實驗室的研究人員分析顯示，提供最佳功率處理能力的電纜阻抗約為30歐姆，但卻無法獲得能夠提供此阻抗的電介質，同時，他們的分析表明最小化電纜衰減的最佳阻抗為77歐姆。所以50歐姆是妥協(xié)，如圖3所示。

 

圖3：研究人員使用電磁場理論和方程來量化功率處理、損耗和電纜阻抗之間的關系。

 

在有線電視等應用中，衰減比功率處理更為關鍵，使用了75歐姆的電纜。75歐姆的另一個優(yōu)點是它可以通過簡單的4：1巴倫輕松匹配標準的300歐姆折疊偶極天線元件。然而，在絕大多數(shù)微波/毫米波應用中，需要使用50歐姆的阻抗。

 

問：什么是關鍵的電纜性能參數(shù)？

答：除了阻抗，因素還包括：

l 衰減（也稱為插入損耗）：距離和頻率下的功率損耗，以每根電纜長度的dB損耗進行測量，例如30 dB / 100 Ft或10 dB / 30 m。衰減會隨著頻率的增加而增加；

l 最大頻率：電纜衰減不再可接受的頻率，這取決于應用；

l 屏蔽效能：衰減量，即屏蔽提供抵抗逃離屏蔽的電磁能量，是屏蔽設計、類型、覆蓋范圍和頻率的函數(shù)，如圖4所示；

 

圖4：同軸電纜屏蔽可以用編織物、箔片或組合實現(xiàn)，以產生與電纜頻率不同的衰減規(guī)格。

 

l 功率處理等級：同軸電纜在不擊穿電介質的情況下可以處理的功率量，范圍從幾十瓦到幾千瓦；對于許多消費者和大眾市場應用而言，所需的量級非常低，大約為1瓦；

l 彎曲半徑：電纜可承受的、對電氣或機械性能沒有任何不利影響的最小半徑彎曲。電纜大致可分為為剛性、半剛性和柔性；通常，電纜的柔性越小，其性能就越穩(wěn)定，盡管操作和安裝/拆卸起來比較困難。最小彎曲半徑可以小到幾毫米或高達幾十厘米，這取決于電纜直徑、電介質和護套。

 

問：標準或廣泛使用的電纜有哪些？

答：多年來，使用最廣泛的電纜是RG-58 / U和RG / U-8（美國政府名稱：R=射頻，G=政府，U =通用規(guī)格）?；ARG-58 / U具有堅固的中心導體、50歐姆阻抗和5毫米直徑，在50 MHz時衰減為10 dB / 100 m，在1 GHz時衰減為70 dB / 100 m。其他產品具有絞合中心導體。類似的RG-59 / U具有75歐姆的阻抗。

 

另一種電纜是RG-8 / U 50歐姆電纜，具有10毫米直徑、絞合中心導體，50 MHz時衰減1.3 dB / 30 m，1 GHz時衰減7.4 dB / 30 m，4 GHz時衰減23 dB / 30 m。

 

問：這些是通用的唯一同軸電纜嗎？

答：絕對不是。有許多標準的，以及供應商提供的眾多專有變體，旨在超越一個或多個規(guī)范。例如，特殊版本可能具有改進的注意力（attention）、耐化學性、機械強度或溫度系數(shù)等級。

 

因此，在指定新電纜或更換現(xiàn)有電纜時，了解供應商的版本是否唯一，或是否可與具有類似名稱的其他電纜互換是很重要的。“安菲諾同軸電纜指南”表顯示了一家主要供應商的標準和適用電纜，其中包括關鍵規(guī)格；其他供應商提供類似的表格；請注意有多少標準目錄電纜可用。

 

微波/毫米波電纜本身沒用；它需要用連接器端接，而不是幾乎在每種情況下焊接到電路或元件上。

 

前面介紹了微波/毫米波互連和電纜組件中使用的同軸電纜。 但僅有一根電纜只是解決方案的一半；電纜必須用連接器端接。通常，完整的電纜/互連組件也稱為電纜，但這通常不是難以界定的（但在某些情況下可能是這樣，因此請注意）。

 

問：同軸電纜有哪些類型的連接器？

答：市面上有數(shù)十種標準連接器類型，可與相應的電纜尺寸、頻率和功率處理額定值相匹配。

 

問：可以自己添加這些連接器端子嗎？

答：可以，也不可以。對于較大的連接器（下面討論），可以這樣做，雖然特殊工具是有用的，但是如果這樣做的人如果仔細遵循說明并且具有一些練習和技巧，則不是絕對需要的。有些連接器需要焊接，有些連接器需要壓接，有些連接器只需要機械擰緊的螺母。

 

但是，這些自己動手的可能性僅適用于較大的連接器和電纜。許多最新的電纜及其連接器都非常?。ㄖ睆街挥袔缀撩祝B接器精細且易碎，組件中的任何缺陷都會嚴重降低電氣和機械性能。由于這些原因，用于較高頻率的大多數(shù)電纜和連接器是要從供應商預先訂購的，這些供應商需要具有將指定的連接器端接到電纜的適當設備、工具和專有技術。

 

問：什么是標準連接器？

答：沒有“標準”，但有幾種因其傳統(tǒng)原因和使用壽命而廣泛使用：BNC、SMA和PL-259。

· BNC連接器（Bayonet Neill-Concelman的縮寫，后兩者在20世紀50年代初開發(fā)）是一種卡口連接器，最大約4 GHz，直徑約14 mm）；它有50和75歐姆版本，如圖5所示（兩個版本有時會混淆，這會使系統(tǒng)性能受損）；

 

圖5：經典的BNC連接器仍然被廣泛使用，因為它的工作頻率高達約4 GHz，并且其“卡口”鎖定而易于安裝/拆卸；它可以通過適量的練習在現(xiàn)場端接。

 

· SMA（SubMiniature A版）螺紋鎖定，并且可用于18 GHz（有些版本可以在更高的頻率下使用）；它是一個50歐姆的組件，直徑約為8毫米，如圖6所示；

· PL-259（20世紀30年代開發(fā)）直徑為18毫米，也有螺釘，可用于約100 MHz，如圖7所示;

 

圖6：SMA連接器采用螺紋連接方式進行鎖定，其帶寬比BNC大得多。

 

圖7：相對古老的PL-259是符合當今標準的低帶寬連接器；它可以通過一些練習添加到現(xiàn)場的電纜中，并且仍然可以在舊設備上找到
 

· 75歐姆F型連接器與有線電視及相關系統(tǒng)配合使用，現(xiàn)有推入式和旋入式兩種型號；它以低成本提供可接受的性能，并可在現(xiàn)場端接。

但是時代已經開始改變，目標頻率越來越高，而且這些連接器對于當今的許多應用而言都太大了，并且沒有數(shù)十GHz和更高操作所需的帶寬。

 

問：其他哪些連接器廣泛使用？

答：有很多，其中一些針對特定應用進行了優(yōu)化，即其中一個參數(shù)（成本、損耗、大?。┍绕渌麉?shù)重要得多。

 

問：連接器與頻率有何關系？

答：同樣，由于應用需求和優(yōu)先級的多樣性，有很多可供選擇。圖4顯示了其中許多與最大有用頻率的關系，但請記住，頻率不是唯一的規(guī)格;成本，尺寸，功率處理和其他因素也是連接器決策的一部分。

答：同樣，由于應用需求和優(yōu)先級的多樣性，業(yè)界有很多可供選擇。圖9顯示了其中許多與最大有用頻率的關系，但請記住，頻率不是唯一的規(guī)格；成本、尺寸、功率處理和其他因素也是連接器決策的一部分。

 

圖8：該表顯示了許多使用中的標準微波/毫米波連接器及其帶寬范圍；每種類型都有針對其進行優(yōu)化的特定屬性。

 

問：連接器對可以接受多少個連接/斷開周期？

答：這取決于各種規(guī)格中可接受的性能降低程度，以及其他因素。典型的連接器配對可以達到50到幾百個周期，但這取決于連接器電鍍、操作環(huán)境和其他因素。

兩個連接器可以具有相同的電氣規(guī)格但是電鍍類型和厚度非常不同，例如鎳銀，并且因此在周期性能方面有著顯著不同。

 

問：如何指定配對連接器半部（halves）？

答：視情況而定。在某些情況下，使用了相同的連接器名稱，以及修改器“公”或“母”，其中公連接器具有對應于同軸電纜中心線的突出銷，而母連接器具有接收銷或接觸的插座。 在其他情況下，“公”和“母”半部具有完全不同的名稱，例如PL-259（公插頭）和SO-239（相應的母插座）。這些不同命名約定的原因是歷史的，并且與開發(fā)和使用連接器對的背景有關。

 

問：電纜是否有公連接器或母連接器？

答：通常，但并非總是如此，當機箱、面板或下一個連接接收到母頭時，電纜會得到公連接器。但也有例外，連接器適用于所有情況。

 

問：如果由于設計問題，不匹配或緊急情況需要將一種類型的連接器連接到另一種類型，該怎么辦？

答：好消息是適配器幾乎適用于所有情況和不匹配組合。例如，您可以輕松獲得BNC到SMA適配器。但是，必須謹慎使用這些適配器，因為互連的整體性能與其最薄弱的鏈路一樣好。

 

還有“反極性”連接器，它具有公殼體和母中心觸點，反之亦然。在異常情況下，這些可能是真正的問題解決方案，因此不必更換或重新制作整個電纜組件。

 

問：標準的更高頻率和更高性能的可用電纜組件的案例有哪些？

答：有幾家供應商提供高級測試場景所需的110-GHz電纜組件，如圖10所示。這些電纜的直徑只有1毫米，連接器相應很小。連接器或它與電纜的終端的任何缺陷，甚至灰塵斑點都會對性能產生不利影響，因此必須在每次使用前進行目視檢查。一家供應商甚至提供了一個專門的預設為4英寸-磅（最大0.45牛米）的“突破”扭矩扳手，如圖11所示，以確保連接器“恰到好處”地進行扭矩——這是至關重要的。

 

圖9：這個1毫米直徑的電纜組件適用于高達110 GHz的領域，它比剛性波導更容易使用，但在處理時需要小心和注意。

 

圖10：必須檢查電纜的連接器是否有污垢、灰塵和變形，這會嚴重影響性能；匹配扭矩扳手確保它數(shù)值是準確的，該數(shù)值使得它能夠滿足相應的性能規(guī)格。

 

在設計利用高速互連的應用時，在信號路徑上瀏覽所有潛在的減速帶是至關重要。必須了解并掌握以下因素：疊層、公差、通孔設計、跡線寬度、鍍層和銅蝕刻，以實現(xiàn)最佳信號路徑。 任何設計清單都應該包含連接器，而這些連接器往往被忽略。如果沒有仔細檢查，連接器可能會嚴重影響系統(tǒng)的信號完整性。

 

 

正確的連接器應該提供幾個關鍵要素：

在目標帶寬上配接阻抗

低于目標帶寬的插入損耗

可靠連接到PCB

可靠連接到電纜系統(tǒng)

 

為了確保連接器可以為信號提供低損耗和配接阻抗，必須查看散射或s參數(shù)。S參數(shù)詳細說明了線性電網的特性，并確定了帶寬和電路損耗，從而揭示了其性能潛力。S參數(shù)數(shù)據(jù)由制造商提供，作為表征其連接器的一種方式，并應成為設計高速連接器時首先考慮的標準。設計師還應該在時域中轉換并觀察s參數(shù)，以及時域反射（TDR）圖，并查看內部阻抗曲線。

 

由于連接器有很多種類（例如，端子類型、內部信號長度、材料等），設計人員需要了解s參數(shù)文件是如何創(chuàng)建的。在盲目地將touchstone文件放入仿真并相信結果之前，詢問供應商幾個問題是很重要的，其中包括：

1. 你想要的插針與仿真的插針配接嗎？

2. 其他插針如何端接？

3.在提供的數(shù)據(jù)中使用了什么樣的布局？

4.有沒有殘端？

5.用于表征的端子類型是什么？（例如電鍍通孔、表面安裝、壓接）

6.夾具如何嵌入或測量中包含什么？

7.這是我需要的準確零件號嗎？

 

優(yōu)質供應商為每個客戶的預期用途提供仿真和與測量相關的數(shù)據(jù)，從而為他們提供更準確的連接器對設計影響的評估，并增強他們在仿真數(shù)據(jù)中的置信度。

 

選擇連接器時的另一個重要標準是PCB端接選項。連接器通常有多種端接形式，包括（但不限于）表面安裝、壓接和通孔錫膏（PIH），每種形式都有其獨特的優(yōu)缺點。壓接端子結構非常堅固，可為PCB提供最大的保持力和連接性，但對高速應用也提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。從高密度壓合連接器發(fā)送信號可能需要高層數(shù)PCB，從而通過電鍍孔向上延伸得到最長路徑，以到達連接器。鉆孔的細長路徑和固定直徑可能會對較高頻率的信號產生明顯的不連續(xù)性，并可能阻礙高數(shù)據(jù)速率。

 

表面貼裝端接更適合高速設計，并連接器發(fā)射點的配接阻抗可獲得最大的靈活性。設計人員可以直接進入連接器的焊盤或使用選擇的鉆孔來提供通過PCB的路徑。此外，導通孔可以埋入PCB內，或反向鉆孔以減少未使用的通孔殘端，并改善壓接端接方式的頻率響應。這種端接方法為高頻設計提供了最大的好處，但不一定是穩(wěn)健的。表面貼裝連接器通常需要一些額外的加固件，例如安裝硬件，以確保與PCB的牢固連接。

 

PIH端接是前兩種風格之間的混合。與壓接類似，PIH端子具有較短的非壓接插針——插入鍍通孔足跡并焊接到位。主要區(qū)別在于它的插針短得多，可以對鉆孔進行反鉆以去除信號上多余的殘端。這種高密度連接器要做入PCB仍然存在挑戰(zhàn)。選擇供應商提供這些短至10mm的插針，可以提供改進的高頻響應和與PCB的堅固連接。在從PCB轉換到連接器時，每種端接類型都存在一些信號阻抗不連續(xù)性，并且每種端接類型都使得設計人員能夠改變自由度以最小化不連續(xù)性對信號完整性的影響。

 

選擇用于高速設計的連接器時，考慮接觸配接連接器的方式也很重要。有幾種配接接觸的方法，每種方法都有其獨特的一系列優(yōu)點和局限，從而影響整體設計的信號完整性。邊緣安裝連接器是一種流行的配接接觸方法。這些連接器具有可沿PCB焊盤滑動的彈簧指，可以在單一點處進行電氣接觸，從而使信號的間斷性最小，但在高沖擊和振動應用中可能有害（或需要額外的保持方法）。許多MSA標準設計（例如SFP、SFP +和QSFP）都使用這種類型的電氣接口。

 

壓接連接更加廣泛地用于堅固的應用中。這個相當基本的系統(tǒng)由一個帶插座的母頭和一個帶彈簧插針的公頭組成。這種配接類別有兩個或兩個以上的接觸點，與邊緣安裝配接系統(tǒng)提供的單點接觸相比，可以提供多種優(yōu)勢。特別為高可靠性、高速度產品設計，圖1所示的多個接觸點可實現(xiàn)較低的接觸電阻和信號電感，以及可靠耐用的連接，可承受極端振動。但是，插針和插座觸點可能比邊緣接觸長，如果設計不當，可能會出現(xiàn)較大的不連續(xù)點。因此，研究制造商提供的s參數(shù)和阻抗圖是至關重要的。
 

 

圖11：Airborn的verSI®壓接插針和插座連接器可在極端振動的高速應用中提供堅固可靠的低電感連接。

 

另外，在速度設計方面，重要的是要考慮相對于占地面積的吞吐量。圖2比較了兩個基本系統(tǒng)：一個采用25G /通道QSFP連接器，另一個采用10G /通道HD4連接器。由此產生的輸出（4320Gbps與3600Gbps）表明，通過連接器設計實現(xiàn)的卓越密度，在相同托架系統(tǒng)中，與更高速度的25G QSFP連接器相比，10G HD4連接器可以產生更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而節(jié)省組件和能源成本，并且甚至數(shù)據(jù)中心平方英尺更具潛力。

 

圖12：針對高密度設計的AirBorn 10GHD4®連接器可在同一托架系統(tǒng)內提供比25G QSFP連接器更高的吞吐量，從而實現(xiàn)組件和能源成本節(jié)省。

 

最終，設計師需要從A點到B點獲得一個強大而不受干擾的信號，而正確的連接器是這段旅程的關鍵要素。畢竟，即使是最高速度的連接器如果經歷間歇性打開，也是不利的。最優(yōu)質的供應商提供多種連接器，以提供高速和高可靠性解決方案，端到端通道解決方案，與客戶密切合作以評估他們的個別需求，并以最小的信號衰減開發(fā)最佳互連解決方案。設計師有多種連接器可供選擇，因此應密切關注關聯(lián)數(shù)據(jù)并明智地選擇。

 

原創(chuàng)： BILL SCHWEBER