在軍事領(lǐng)域中如何優(yōu)化射頻連接器的選擇與實現(xiàn)

射頻同軸連接器和電纜是常見的元器件，在軍事應(yīng)用中發(fā)揮著基本不可見但非常關(guān)鍵的作用。該組件的工作是將頻率高達(dá)數(shù)十千兆赫 (GHz) 的射頻信號從天線傳送到接收器。它必須可靠地處理敏感的射頻信號并保持其完整性，同時要足夠堅固，能夠經(jīng)受住戰(zhàn)場上的嚴(yán)酷考驗。

對于在尋找射頻連接器的工程師來說，選擇成百上千，如果只是滿足一些基本要求，射頻連接器或多或少都一樣，因此大家可能都傾向于選擇最便宜的。但這將是一個錯誤。許多射頻連接器不是按照嚴(yán)格的工程規(guī)格制造的，一個設(shè)計不良的元件的故障可能導(dǎo)致價值數(shù)百萬美元的軍事設(shè)施在關(guān)鍵時刻無法使用。這使得所選擇元件按照公認(rèn)的國際標(biāo)準(zhǔn)建造變得至關(guān)重要。

除了耐用性、防潮和防塵等機械性能，以及阻抗、頻率范圍、電壓駐波比 (VSWR) 和絕緣電阻等電氣性能外，其他因素也會影響設(shè)計。例如，在某些軍事應(yīng)用中，如火箭發(fā)射器導(dǎo)軌、光學(xué)部件內(nèi)表面和小武器應(yīng)用，標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼連接器的光反射會導(dǎo)致操作問題。

在尋找堅固可靠的射頻連接器時，選擇信譽良好的制造商是一個很好的開始，因為這些廠商的射頻連接器經(jīng)過實際檢驗，是按照相關(guān)的軍事性能規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)制造的。

本文探討了軍用射頻同軸連接器的關(guān)鍵電氣和機械選擇標(biāo)準(zhǔn)。并以 Amphenol SV Microwave 的實例器件，討論了它們的應(yīng)用。特別要強調(diào)的是，對于使用黑鉻射頻連接器的利基應(yīng)用，要使用高檔次、耐用、不反光的表面。

高性能射頻同軸電纜和連接器

確保射頻元件能夠滿足軍事應(yīng)用嚴(yán)格要求的關(guān)鍵是購買符合相關(guān)軍事性能規(guī)范 (MIL-PRF) 的元件。只有一部分制造商能夠提供符合要求的射頻連接器。有一家公司能做到這一點，那就是 Amphenol SV Microwave。該公司提供 400 多個符合 MIL-PRF M39012 的射頻連接器。

MIL-PRF-39012 是射頻連接器的核心標(biāo)準(zhǔn)。它要求在多個制造階段進(jìn)行視覺、機械和電氣測試，以確保符合要求。該規(guī)范還要求生產(chǎn)設(shè)施和工藝符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)。符合 MIL-PRF-39012 規(guī)范的同軸連接器和適配器非常適合用于軍事（和其他高可靠性）應(yīng)用，包括雷達(dá)、SATCOM 地面設(shè)備和航空航天射頻/微波組件。

MIL-PRF-39012 連接器的一個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是，中心引腳必須按照標(biāo)準(zhǔn)化的深度、粘附性和表面處理進(jìn)行鍍金。配接觸頭上的鍍金確保了最小的插入損耗和在惡劣環(huán)境下長期良好的電氣接觸（圖 1）。

圖 1：MIL-PRF-39012 連接器的一個關(guān)鍵標(biāo)準(zhǔn)是，中心引腳必須按照標(biāo)準(zhǔn)化的深度、粘附性和表面處理進(jìn)行鍍金。（圖片來源：Amphenol）

射頻同軸電纜設(shè)計注意事項

在為軍事應(yīng)用設(shè)計射頻同軸解決方案時，必須將電纜和連接器作為一個完整的系統(tǒng)來考慮。系統(tǒng)的性能高度依賴于這兩個元件的完美配合。

典型的同軸電纜由銅芯或鍍銅鋼絲構(gòu)成。銅芯承載著連接設(shè)備的高頻輸入/輸出信號。同時一個通常由塑料制成的電介質(zhì)絕緣體會圍繞著銅芯。絕緣體的厚度是固定的，并確保銅芯和電介質(zhì)周圍的金屬屏蔽層之間保持恒定間隙。這一點很重要，因為任何厚度的變化都會導(dǎo)致阻抗的變化，進(jìn)而影響到信號的完整性。

金屬屏蔽層由銅、鋁或其他金屬編織而成，緊緊包裹著絕緣體。其作用就是保護(hù)內(nèi)芯免受外部電磁干擾 (EMI)。然后，該組件包裹在一個橡膠或塑料護(hù)套中，以對內(nèi)部導(dǎo)體進(jìn)行絕緣和保護(hù)（圖 2）。戶外等級的電纜需要額外的絕緣和特殊的護(hù)套，以保護(hù)電線免受陽光和濕氣的影響。

內(nèi)芯傳輸高頻信號，而屏蔽層僅作為回流線。兩個導(dǎo)體之間存在一個電磁場，但不超過屏蔽層。這意味著，穿過電纜的射頻信號不會影響附近的電氣和電子設(shè)備。

圖 2：同軸電纜由四部分組成：內(nèi)導(dǎo)體、塑料電介質(zhì)、回路線/屏蔽層；以及外部（黑色）橡膠或塑料護(hù)套。（圖片來源：Amphenol）

在電介質(zhì)絕緣體與中心導(dǎo)體接觸的地方，它吸收了一些電能。對于長電纜，信號的衰減可能是顯著的。高效電纜使用的隔層與內(nèi)導(dǎo)體的接觸最小，并在內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間形成一致的空氣間隙，充當(dāng)有效的電介質(zhì)。

阻抗的重要性

在高頻射頻系統(tǒng)中，傳輸效率取決于天線的阻抗與發(fā)射器或接收器的阻抗匹配。

顯著不匹配會導(dǎo)致天線功效不佳，因為它干擾了前向行進(jìn)的功率并產(chǎn)生了駐波。衡量阻抗均衡程度的一個常用指標(biāo)是電壓駐波比 (VSWR)。VSWR 為 1 表示沒有阻抗失配損失，而更高的數(shù)字表示損失增加。例如，VSWR 為 3.0 表示大約 25% 的發(fā)射器功率在天線系統(tǒng)中損失。

射頻連接器和電纜構(gòu)成了天線阻抗的一部分，因此，設(shè)計者必須了解元件的阻抗值，以最大限度地提高射頻系統(tǒng)的效率。同軸電纜的特性阻抗與內(nèi)導(dǎo)體的外徑和外導(dǎo)體的內(nèi)徑之比成正比。介質(zhì)絕緣體的主要功能是設(shè)置并保持這種隔離。

在大多數(shù)情況下，電纜制造商提供的射頻電纜阻抗為 50、75 或 95 歐姆 (Ω)，盡管也有其他阻抗。除了一系列的固定阻抗外，電纜還提供不同的電介質(zhì)類型、電容、外徑、衰減特性和屏蔽材料。

版本一般按照兩個系統(tǒng)來分，LMR（字母的含義是歷史的：重要的是要知道這些電纜是一種低損耗的類型）和無線電指南 (RG)。RG 類型有更多的選擇，然而并非所有的選擇都符合軍事規(guī)格。信譽良好的供應(yīng)商可以協(xié)助處理軍用器件的選擇。

射頻同軸連接器注意事項

射頻同軸連接器能夠讓電纜牢固地連接到無線電設(shè)備上。無論電纜有多好，連接器不合適都將破壞電氣性能。電纜和連接器之間機械上的安全和電氣上的牢固配合將確保良好的信號完整性和一致的阻抗，即使在高頻率下。提供完整性的一種方法是將電纜和連接器組裝在一起，由制造商作為一個完整的組件交付。制造商最有能力確保高質(zhì)量的連接，也會在交貨前測試組件的完整性。

標(biāo)準(zhǔn)極化公接頭的外殼內(nèi)側(cè)有螺紋，有一個中心引腳，而標(biāo)準(zhǔn)極化母接頭的外殼內(nèi)側(cè)有螺紋，但沒有中心引腳。將公頭與母頭連接在一起不是好的設(shè)計做法，因為這將增加電纜的固有信號損失。更好的做法是使用一根連續(xù)的長距離電纜，因為這將確保信號損失較低和阻抗一致。如果要將一個公接頭連接到另一個公接頭，或?qū)⒁粋€母接頭連接到一個母接頭，正確之法就是使用同軸電纜適配器。這雖然可以用，但在高規(guī)格的應(yīng)用中，不建議這樣做，因為這也會增加信號損失。

與電纜一樣，射頻連接器也有各種類型，并且有固定的阻抗值。一個常見實例是超小型 A 版 (SMA)。該連接器采用堅固的螺紋式連接機構(gòu)，標(biāo)準(zhǔn)阻抗為 50 Ω，設(shè)計適用頻率范圍從直流（0 赫茲 (Hz)）到 18 GHz。應(yīng)用包括微波系統(tǒng)和手持式無線電（圖 3）。

圖 3：SMA 連接器提供螺紋連接，具有 50 Ω 的阻抗，可以處理高至 18 GHz 的射頻信號。（圖片來源：Amphenol）

另一種常見類型是超小型 B 版 (SMB)。

這種產(chǎn)品比 SMA 小，并采用卡入式聯(lián)接設(shè)計。

它們有 50 和 75 Ω 兩種阻抗，工作頻率高至 4 GHz。

與 SMA 產(chǎn)品相比，這種連接器不夠堅固，不適合在惡劣的環(huán)境中使用。

其他類型的射頻連接器包括

F 型，用于電纜調(diào)制解調(diào)器和有線電視等應(yīng)用；

N 型，用于使用粗電纜的商業(yè)應(yīng)用；

FME 型，用于蜂窩通信設(shè)備；

TNC 型，用于戶外蜂窩應(yīng)用；

以及 UHF 型，用于業(yè)余和海上無線電。

連接在射頻同軸電纜上的射頻連接器通常會擰入連接在穿板上的反極性連接器上，或直接連接到接收或發(fā)送射頻信號的設(shè)備上。穿板類型有外螺紋，與電纜連接器的內(nèi)螺紋配接（圖 4）。選擇穿板連接器時還是找制造電纜射頻連接器的廠家最佳，雖然標(biāo)準(zhǔn)化確保了任何制造商的相同類型的連接器都能使用，但是總會有些意外影響因素。

圖 4：SMA 穿板連接器有外螺紋，與電纜連接器內(nèi)螺紋配合。（圖片來源：Amphenol）

無反光射頻連接器選擇

信譽良好的制造商會提供一系列直式、彎角以及公母連接器選擇。

但有些廠商，如 Amphenol SV Microwave，也在其提供的產(chǎn)品中包括特殊元件。

該公司產(chǎn)品系列有一個重要補充產(chǎn)品，即同時用于電纜和穿板應(yīng)用的無反光 SMA 射頻連接器。

在許多軍事應(yīng)用中，工業(yè)射頻連接器的標(biāo)準(zhǔn)不銹鋼或黃銅表面可能導(dǎo)致問題。

例如，如果用在小武器上，這種射頻連接器可以反射自然光并暴露戰(zhàn)斗人員的位置。

或者在飛機或直升機的光學(xué)系統(tǒng)中使用射頻連接器可能會產(chǎn)生光偽影，破壞瞄準(zhǔn)系統(tǒng)的精度。

為了滿足對無反光射頻連接器的需求，Amphenol 推出了鍍黑鉻的 SMA 公頭電纜連接器 2911-61008（圖 5，左），以及配套的鍍黑鉻 SMA 母頭穿板連接器 2921-61689（圖 5，右）。這些產(chǎn)品的阻抗均為 50 Ω，可以支持高達(dá) 18 GHz 的射頻信號，連接次數(shù)高至 500 次。上述每個實例連接器的中心觸頭材料均采用鍍金鈹銅合金。該射頻連接器設(shè)計用于 RG-405（0.085 英寸）、半剛性射頻同軸電纜，符合軍用規(guī)范要求，在國防應(yīng)用中很受歡迎。

圖 5：Amphenol 軍用規(guī)格 SMA 公頭電纜連接器（左）和母頭穿板連接器（右）提供無反光黑鉻層。（圖片來源：Amphenol）

該射頻連接器的主體材料是不銹鋼，上涂有符合 MIL-C-14538 標(biāo)準(zhǔn)的黑色鉻層。

該規(guī)格所涉及的黑鉻層是軍方獨有的，它堅硬、附著力強、耐高溫，而且完全不反光。

該連接器帶提供了一個不反光的 SMA 公頭防塵帽 2911-61009，斷開電纜后蓋在母頭穿板連接器上。

結(jié)語

軍事應(yīng)用會受到灰塵、油脂、熱量和振動的影響。

這些應(yīng)用的連接器和電纜預(yù)計要在數(shù)年內(nèi)可靠地傳輸高頻信號。

這些連接器有一些需要非反射涂層的變型，這些涂層要足夠堅韌和耐用，能夠承受高溫和沖擊而不發(fā)生裂紋或磨損。

來源：Digi-Key

作者：Steven Keeping

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