1　引言

射頻同軸連接器是微波領(lǐng)域中重要的射頻傳輸元件，因其頻帶寬、連接方便可靠、性能優(yōu)越、成本低廉，在微波通信設(shè)備、儀器儀表及武器系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。近幾年來(lái)隨著現(xiàn)代通信技術(shù)的飛速發(fā)展，整機(jī)設(shè)備對(duì)射頻同軸連接器的技術(shù)要求越來(lái)越高，寬頻帶、低駐波、小型化、多功能、高可靠、快速連接等等，新的連接器品種應(yīng)運(yùn)而生、層出不窮，這也對(duì)連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)提出了更高的要求。射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)優(yōu)化包括對(duì)連接器多方面功能及價(jià)值的分析改進(jìn)，以達(dá)到質(zhì)優(yōu)、價(jià)廉，并且縮短試制周期。優(yōu)化技術(shù)適用于射頻同軸連接器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、尺寸精度的確定、性能參數(shù)的提升等方面。通過(guò)優(yōu)化，尋求和確定最佳參數(shù)，保證連接器使用功能和可靠性要求。隨著微波技術(shù)的發(fā)展，整機(jī)系統(tǒng)要求連接器具有更多的附加功能，如濾波（隔直、防雷等）、整流、衰減等；另一方面整機(jī)系統(tǒng)信號(hào)頻率在不斷提高，對(duì)信號(hào)傳輸部分的損耗和電壓駐波比也有了更高的要求。因此電性能的提升逐漸成為射頻同軸連接器設(shè)計(jì)優(yōu)化工作的重點(diǎn)和難點(diǎn)。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展，仿真技術(shù)也步入了一個(gè)新的時(shí)代，原來(lái)只有中、小型計(jì)算機(jī)或?qū)I(yè)工作站上才能運(yùn)行的仿真軟件現(xiàn)在也可以在微機(jī)上用了，這樣就給仿真技術(shù)的普及創(chuàng)造了有利條件。另一方面，仿真軟件在不斷過(guò)發(fā)展完善，新的軟件層出不窮，Ansoft HFSS和ADS等傳統(tǒng)三維電磁仿真軟件功能也在不斷強(qiáng)化，仿真精度越來(lái)越高，優(yōu)化結(jié)果越來(lái)越接近實(shí)際數(shù)值。這些無(wú)疑給連接器的仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)創(chuàng)造有極為有利的條件。

時(shí)域測(cè)量分析是進(jìn)行微波傳輸系統(tǒng)缺陷分析的有效方法之一。通過(guò)時(shí)域測(cè)量，可獲得沿傳輸線的阻抗變化、集中反射點(diǎn)位置、集中反射點(diǎn)的電特性等數(shù)據(jù)，這對(duì)于分析和優(yōu)化連接器設(shè)計(jì)是非常有利的。通過(guò)對(duì)時(shí)域測(cè)量數(shù)據(jù)的分析，找出連接器設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)當(dāng)中不匹配點(diǎn)并對(duì)其進(jìn)行逐一調(diào)整和優(yōu)化，以達(dá)到提高電性能的目的。時(shí)域測(cè)量的定位精度和響應(yīng)分辨率直接關(guān)系到時(shí)域分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，而響應(yīng)分辨率與微波測(cè)試設(shè)備的頻寬、采樣速率有直接的關(guān)系。近年來(lái)隨著行業(yè)的發(fā)展和西方國(guó)家對(duì)華禁運(yùn)政策的調(diào)整，越來(lái)越多的國(guó)內(nèi)射頻同軸連接器生產(chǎn)廠家具備了頻率上限到20GHz甚至高達(dá)40GHz的具備時(shí)域測(cè)試功能的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，這也使時(shí)域測(cè)量分析技術(shù)應(yīng)用于射頻同軸連接器的優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。

2　射頻同軸連接器的一般設(shè)計(jì)原則

射頻同軸連接器的工作原理比較簡(jiǎn)單，可以說(shuō)是一段能夠使RF傳輸系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)電氣連接與分離的同軸傳輸線。連接與分離這一機(jī)械過(guò)程的實(shí)現(xiàn)要求連接器具有可靠的連接界面；連接器的適用性和方便性要求連接界面有多種不同的規(guī)格和連接形式；連接器的通用性和互換性要求連接界面的標(biāo)準(zhǔn)化；連接與分離的可靠性與穩(wěn)定性要求連接器界面尺寸及內(nèi)外導(dǎo)體相對(duì)位置的穩(wěn)定及足夠的機(jī)械保持力。這是對(duì)連接器界面及結(jié)構(gòu)的基本要求，另一方面連接器需要與同軸電纜、微帶等傳輸線連接，同樣也需要考慮連接過(guò)渡的匹配性、穩(wěn)定性和連接的可靠性。機(jī)械連接的穩(wěn)定性與可靠性是實(shí)現(xiàn)射頻同軸連接器電氣連接可靠性與穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，穩(wěn)定可靠的機(jī)械結(jié)構(gòu)加上均勻匹配的阻抗、合理的介質(zhì)材料，便可得到電氣性能優(yōu)良的射頻同軸連接器。

但阻抗的不連續(xù)是不可避免的：界面的機(jī)械連接及界面的容差導(dǎo)致連接界面的阻抗不連續(xù)；用于保證機(jī)械穩(wěn)定性的臺(tái)階定位結(jié)構(gòu)導(dǎo)致不連續(xù)電容的存在；機(jī)械公差及介質(zhì)電參數(shù)的漂移導(dǎo)致特性阻抗的漂移；連接器與電纜及微帶等射頻傳輸線連接部分的適配性及電磁場(chǎng)場(chǎng)形變化也會(huì)產(chǎn)生特性阻抗不連續(xù)。只有對(duì)這些不連續(xù)逐一進(jìn)行識(shí)別和補(bǔ)償，才能使射頻同軸連接器具有更好的電性能指標(biāo)。關(guān)于射頻同軸連接器的設(shè)計(jì)補(bǔ)償計(jì)算很多理論著作及學(xué)術(shù)論文當(dāng)中都有更為詳盡的闡述，這里就不再贅述了，但需要說(shuō)明的是絕大多數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式都是通過(guò)對(duì)大尺寸同軸傳輸線的研究得來(lái)的，對(duì)我們常規(guī)的使用頻率不是很高的連接器的設(shè)計(jì)而言其精確度已足夠，而對(duì)于小尺寸、高頻率、高性能要求的連接器（如毫米波連接器）設(shè)計(jì)而言，由于尺寸公差、表面粗糙度、金屬材料表面電阻率及介質(zhì)電參數(shù)的穩(wěn)定性等方面的影響變得不可忽略，所以此時(shí)的計(jì)算結(jié)果僅能作為參考。

綜上所述，在明確了用戶(hù)需求及確定了連接界面形式的情況下，連接器的基本設(shè)計(jì)思想可簡(jiǎn)單總結(jié)為以下三點(diǎn)：

·  在充分滿(mǎn)足客戶(hù)需求的情況下采用最簡(jiǎn)潔的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)。簡(jiǎn)單就是可靠，簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)不僅可以有效減少不連續(xù)點(diǎn)（段）的存在，提高電性能，而且簡(jiǎn)潔的結(jié)構(gòu)有更好的機(jī)械可靠性。
·  盡量使每一段的阻抗都與標(biāo)稱(chēng)特性阻抗相符。保證傳輸線阻抗的均勻性是減小反射的關(guān)鍵。
·  對(duì)不可避免的不連續(xù)逐一進(jìn)行共面補(bǔ)償。共面補(bǔ)償是弱化和消除集中反射（不連續(xù)點(diǎn)）的有效方法，其原理是針對(duì)不連續(xù)點(diǎn)的電特性（容性或感性）在其鄰近部位引入一段感性或容性區(qū)域，使在不連續(xù)點(diǎn)附近一定區(qū)域內(nèi)“平均阻抗”接近標(biāo)稱(chēng)特性阻抗值，以達(dá)到在一定的頻段內(nèi)減小反射的目的。從根本上講共面補(bǔ)償就是在失配部位形成一個(gè)低通濾波網(wǎng)絡(luò)，只要通頻帶足夠?qū)挘ǜ采w連接器要求的頻率范圍），便可得到理想的補(bǔ)償。

由LC低通濾波網(wǎng)絡(luò)原理可知，集中電容或電感值越大，低濾波器的通頻帶越窄，即在較高的使用頻率下想要使共面補(bǔ)償達(dá)到更好的效果，首先是集中電容或電感值要盡量的小，否則在高頻段不可能設(shè)計(jì)出性能優(yōu)異的射頻同軸連接器產(chǎn)品。由此可見(jiàn)共面補(bǔ)償畢竟是后天性的，在進(jìn)行射頻同軸連接器產(chǎn)品的設(shè)計(jì)時(shí)首先應(yīng)盡量減少不連續(xù)點(diǎn)（段）的存在，并使不可避免的不連續(xù)盡量的小。

3　仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)

利用三維電磁場(chǎng)分析軟件建模仿真，對(duì)連接器的設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，可以提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)的一次成功率。尤其是對(duì)性能要求高或有特能要求的連接器產(chǎn)品，通過(guò)建模仿真和計(jì)算，可以不用生產(chǎn)樣品而得到設(shè)計(jì)將可能達(dá)到的性能數(shù)據(jù)，通過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化使模型達(dá)到所要求的性能指標(biāo)，這時(shí)再安排生產(chǎn)出的樣品，其性能指標(biāo)會(huì)非常接近或一次達(dá)到設(shè)計(jì)輸入的要求，即縮短了設(shè)計(jì)周期，又節(jié)省了研制費(fèi)用、降低了開(kāi)發(fā)成本，省時(shí)省力。

下面我們用Ansoft HFSS軟件對(duì)一種7/16型1/4波長(zhǎng)寬帶防雷連接器進(jìn)行仿真優(yōu)化，以此為例介紹一下射頻同軸連接器仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般過(guò)程。

3.1　Ansoft HFSS軟件簡(jiǎn)介

Ansoft HFSS（High Frequency Structure Simulator）是Ansoft公司著名的三維微波電磁仿真設(shè)計(jì)軟件，其人性化的交互式用戶(hù)界面和強(qiáng)大的優(yōu)化功能給使用者帶來(lái)非常大的便利。Ansoft Optimetrics (Ansoft 優(yōu)化)是一種變量分析工具，它可以方便地對(duì)模型變量模擬分析，使我們?cè)谀M優(yōu)化時(shí)不用再建立和求解一系列模型，而只需建立一個(gè)模型即可。在Ansoft HFSS 8.0中沒(méi)有包含Ansoft Optimetrics，但在Ansoft HFSS 9.0中已經(jīng)集成了Optimetrics功能。

Ansoft HFSS軟件具有強(qiáng)大的建模功能、豐富的材質(zhì)庫(kù)和模型庫(kù)，這使得建模工作變得簡(jiǎn)單快捷，再加之強(qiáng)大的宏處理功能和多種掃頻方式，使其成為應(yīng)用最為廣泛的三維微波電磁仿真設(shè)計(jì)軟件。它可以模擬波導(dǎo)、空間、微帶線路、同軸線及腔體中的三維電磁場(chǎng)，可以方便地實(shí)現(xiàn)天線、濾波器、波導(dǎo)器件、連接器等微波器件的仿真模擬和優(yōu)化。其界面如圖1。

圖1　ANSOFT HFSS 9.0 界面

3.2  模型的建立

我們要模擬的是一種新型的多功能連接器――1/4波長(zhǎng)金屬支撐子式的寬帶防雷連接器，兩端為7/16型陰頭。我們知道1/4波長(zhǎng)金屬支撐子在同軸傳輸線中相當(dāng)于一個(gè)帶寬很窄的帶通濾波器，由于它使同軸線內(nèi)導(dǎo)體直接良好地接地，因此作為防雷器時(shí)具有最小的殘余浪涌電壓和極強(qiáng)的電流處理能力，在雷電防護(hù)領(lǐng)域倍受青睞。過(guò)窄的使用帶寬不利于它的推廣，考慮目前通信系統(tǒng)工作頻率，擬將其使用頻帶拓展為0.8~2.4GHz。利用切比雪夫多項(xiàng)式對(duì)其進(jìn)行拓頻設(shè)計(jì)，以1.6 GHz為中心頻率，并考慮連接器應(yīng)承受8/20μs 、50KA脈沖電流的沖擊，得出如圖2的基本結(jié)構(gòu)模型：

ａ、原理圖　　　　　　                      　      　  　　ｂ、結(jié)構(gòu)模型

圖2　寬帶防雷原理圖及基本結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)預(yù)定的外形尺寸，推算出的模型結(jié)構(gòu)在實(shí)際設(shè)計(jì)中較難實(shí)現(xiàn)或會(huì)造成過(guò)高的制造成本，故考慮1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分與連接器主體實(shí)現(xiàn)連接的可能結(jié)構(gòu)，對(duì)模型結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整（如圖3）。

ａ、原理圖　　　　　                    　　　  　    　ｂ、結(jié)構(gòu)模型

圖3　調(diào)整后的原理圖及結(jié)構(gòu)模型

調(diào)整后1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分由原來(lái)的阻抗為Z1的均勻傳輸線變?yōu)殚L(zhǎng)度為L(zhǎng)1a、阻抗為Z1a和長(zhǎng)度為L(zhǎng)1b、阻抗為Z1b的兩段傳輸線的組合，這樣一來(lái)想要確定Z1a、Z1b、L1a和L1b，計(jì)算變得相當(dāng)復(fù)雜。這一工作可以交給ANSOFT HFSS去做。由于結(jié)構(gòu)的限制，可確定L1a為20mm，Z1a為88Ω，而L1b和Z1b預(yù)設(shè)為26mm和92Ω。由于優(yōu)化前后連接器主體部分徑向尺寸變化不會(huì)太大，因此將連接器主體部分兩端分別加入適當(dāng)?shù)木鬯姆蚁┙^緣支撐?？紤]絕緣支撐的加入對(duì)電長(zhǎng)度的影響并進(jìn)行修正，然后根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式對(duì)絕緣支撐處的不連續(xù)進(jìn)行逐一補(bǔ)償計(jì)算；因連接器將與50Ω電纜組件相連，故將N型插孔端面做為阻抗變換段的起始面。完成上述工作后可著手建立ANSOFT HFSS三維仿真模型（如圖4）。

圖4　在Ansoft HFSS中建立的三維仿真模型

模型建好后進(jìn)行材質(zhì)的設(shè)定：銅合金鍍銀的內(nèi)導(dǎo)體材質(zhì)可設(shè)為copper，絕緣支撐設(shè)為T(mén)eflon，其它部分本來(lái)應(yīng)設(shè)為空氣，但為了優(yōu)化的方便，將其設(shè)為真空，這對(duì)結(jié)果的影響非常小，可以忽略不計(jì)。

下一步是端口設(shè)置：將兩端連接器界面設(shè)置成50Ω端口。然后就可以設(shè)置求解條件：點(diǎn)頻1.6GHz，10次迭代，最大誤差0.01；Fast掃頻方式、0.6－2.6GHz，分為50份。下面就可以開(kāi)始進(jìn)行初步求解了。計(jì)算后選擇顯示電壓駐波比，則可得到圖5a中顯示的曲線。

圖5a　Ansoft模擬電壓駐波比曲線 

3.3　參數(shù)的設(shè)置及優(yōu)化

為了做便于進(jìn)行優(yōu)化，要在模型中引入?yún)?shù)。分析上圖曲線，和我們所需要的結(jié)果比較接近，帶寬已經(jīng)足夠，但頻帶有些上移，中心低點(diǎn)沒(méi)有完全形成。雖然0.9－2.6GHz時(shí)電壓駐波比小于1.2，但中心峰值已接近1.2，有些過(guò)高，其主要因素就是Z1a和Z1b段的過(guò)渡。Z1處1/4波長(zhǎng)金屬支撐已經(jīng)是較細(xì)了，再細(xì)會(huì)影響到電流處理能力，所以可以調(diào)節(jié)的只有Z1b和Z2了。將Z2段內(nèi)導(dǎo)體外半徑設(shè)為可變參數(shù)SizeR1，范圍3.9－4.0，每步0.05mm；將Z1b段外導(dǎo)體內(nèi)徑設(shè)為可變參數(shù)SizeR2，范圍7.8－8.1，每步0.05mm；將Z1b段的長(zhǎng)度設(shè)為SizeL，范圍32－40，每步0.5mm。設(shè)置顯示參數(shù)然后優(yōu)化，優(yōu)化后的曲線如下圖所示：

圖5b　Ansoft模擬優(yōu)化后的電壓駐波比曲線

圖6　最終產(chǎn)品結(jié)構(gòu)圖

 3.4　模型的轉(zhuǎn)化

將優(yōu)化計(jì)算得到的數(shù)據(jù)用于產(chǎn)品的設(shè)計(jì)當(dāng)中，根據(jù)生產(chǎn)工藝能力狀況對(duì)內(nèi)、外導(dǎo)體進(jìn)行合理拆分，并考慮1/4波長(zhǎng)金屬支撐部分接地的可靠性和保留一定的調(diào)節(jié)量，得到最終設(shè)計(jì)結(jié)果（如圖6所示）。

樣品生產(chǎn)后經(jīng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)實(shí)際通頻帶略有偏移，且?guī)挷蛔悖褐行念l率約為1.55GHz，通頻帶為0.78-2.36GHz。通過(guò)將D1b尺寸加大0.2mm，并對(duì)1/4波長(zhǎng)金屬支撐接地端螺母進(jìn)行調(diào)整，以改變L1b的長(zhǎng)度，使整體性能達(dá)到了要求：0.80-2.40GHz電壓駐波比小于1.20。駐波測(cè)試曲線如圖7所示。

圖7　寬帶防雷器樣品測(cè)試曲線（2.4GHz時(shí)駐波比為1.13）

4　時(shí)域分析優(yōu)化設(shè)計(jì)法

射頻同軸連接器的時(shí)域分析優(yōu)化設(shè)計(jì)法是指通過(guò)時(shí)域測(cè)量分析的方法對(duì)設(shè)計(jì)樣品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，找出設(shè)計(jì)缺陷，并進(jìn)一步進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以提高連接器電性能的方法。

仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)是基于按傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理論建立的原始模型、在樣品生產(chǎn)之前進(jìn)行的設(shè)計(jì)優(yōu)化工作，按其結(jié)果設(shè)計(jì)生產(chǎn)出樣品后，要對(duì)樣品進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證，看其是否達(dá)到設(shè)計(jì)輸入的要求。頻域測(cè)量能給出被測(cè)連接器及電纜組件關(guān)于頻率的綜合特性，如電壓駐波比、插入損耗等，這對(duì)判斷樣品是否符合設(shè)計(jì)輸入要求是非常重要的。但當(dāng)需要對(duì)射頻同軸連接器或電纜組件進(jìn)行診斷，需要判斷或分離出集中反射點(diǎn)或阻抗的不連續(xù)段時(shí)，頻域測(cè)量就無(wú)能為力了。而這些方面卻正是時(shí)域測(cè)量所擅長(zhǎng)的。

4.1　時(shí)域測(cè)量簡(jiǎn)介

時(shí)域測(cè)量的方法一般有直接測(cè)量和間接測(cè)量?jī)煞N方法。直接測(cè)量是在脈沖激勵(lì)下測(cè)量被測(cè)件的響應(yīng)，從響應(yīng)中直接獲取需要的電參數(shù)。只要脈沖前沿上升時(shí)間足夠短（如15PS以?xún)?nèi)）、接收機(jī)頻帶足夠?qū)挘苯訙y(cè)量法可提供很高的分辨率，常見(jiàn)的儀器配置為取樣頻率較高的取樣示波器加射頻分析模塊和射頻探頭。

間接法測(cè)量是在掃頻連續(xù)波激勵(lì)下，先測(cè)被測(cè)件的頻率響應(yīng)，再把此響應(yīng)利用傅里葉反變換轉(zhuǎn)換到時(shí)域中。目前多數(shù)的矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀增加時(shí)域模塊后都可具有間接時(shí)域分析功能，如HP8510，Wiltron的360系列、373系列等。矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是射頻同軸連接器生產(chǎn)廠家必備測(cè)試設(shè)備，這里就介紹一下利用Wiltron的37347A型矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行時(shí)域分析，對(duì)連接器進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的方法。

時(shí)域測(cè)量有兩種工作模式。一種是低通（LOWPASS）模式；另一種是帶通（BANDPASS）模式。低通模式可提供較高的分辨率；帶通模式則便于去除掉不需要的響應(yīng)和干擾。

低通模式常被用來(lái)模擬傳統(tǒng)時(shí)域反射計(jì)測(cè)量，提供的信息可斷定不連續(xù)點(diǎn)或中斷的位置和類(lèi)型（電阻、電容、電感），而這些正是射頻同軸連接器設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程中最有價(jià)值的信息。低通模式又有兩種激勵(lì)方式：階躍激勵(lì)（STOP）和脈沖激勵(lì)（IMPULSE），其響應(yīng)曲線的含義不同：

低通階躍激勵(lì)S11實(shí)部　　　　               　　　　　低通脈沖激勵(lì)S11實(shí)部

圖8　低通法兩種激勵(lì)模式響應(yīng)曲線的含義

對(duì)無(wú)源器件進(jìn)行時(shí)域分析時(shí)，低通模式一般進(jìn)行的是反射測(cè)量，即單端口測(cè)量，儀器與被測(cè)件的連接如圖9（a）所示。測(cè)量中水平軸響應(yīng)是雙向傳輸時(shí)間的間斷點(diǎn)，光標(biāo)表示雙向時(shí)間和沿著軌跡的電長(zhǎng)度。垂直軸響應(yīng)經(jīng)傅立葉反變換后僅有實(shí)數(shù)部分，它表示的是反射信號(hào)電壓。由圖8的兩組曲線可以看出，在進(jìn)行連接器時(shí)域測(cè)量分析中，低通階躍激勵(lì)的實(shí)部可以提供更為直觀的不連續(xù)點(diǎn)的特性信息，便于對(duì)響應(yīng)進(jìn)行分析，是我們進(jìn)行射頻同軸連接器優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中最常用到的時(shí)域測(cè)試方法，它同時(shí)還可以進(jìn)行電纜組件的缺陷定位。

ａ、時(shí)域反射測(cè)量連接圖　　　　　　　　                     ?。狻r(shí)域傳輸測(cè)量連接圖

圖9　時(shí)域反射測(cè)量和時(shí)域傳輸測(cè)量連接圖

帶通模式也有兩種激勵(lì)方式：脈沖激勵(lì)（IMPULSE）和矢量脈沖激勵(lì)（PHASOR－IMPULSE）。脈沖激勵(lì)模式的垂直軸的顯示值取決于所選的格式，其默認(rèn)的格式是以dB為單位的回波損耗值。這種方式常被用于功分器、濾波器的測(cè)量及電纜組件的DTF (Distance to Fault) 測(cè)試。帶通模式在測(cè)量頻率范圍上沒(méi)有限制，因此可針對(duì)電纜組件使用頻帶對(duì)其進(jìn)行測(cè)量分析。在頻域測(cè)量中，相對(duì)反射系數(shù)的波紋是由每個(gè)接頭處的反射相互干涉引起的，因此DTF測(cè)試不僅用于缺陷定位，還常作為一種連接器與電纜裝接質(zhì)量與匹配情況的綜合評(píng)測(cè)方法，例如國(guó)外某通信設(shè)備制造商要求7/16射頻同軸連接器與1/2波紋纜組成的跳線在上限頻率為2GHz的DTF測(cè)試中兩接頭位置的回波損耗值應(yīng)小于－38dB。

帶通矢量脈沖激勵(lì)模式中，響應(yīng)曲線含義如下圖：

圖10　帶通矢量脈沖激勵(lì)（PHASOR－IMPULSE）響應(yīng)曲線的含義

以上幾種模式各不相同，我們可以根據(jù)不同的測(cè)試需要求選擇。如果要進(jìn)一步進(jìn)行更精確的分析，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀還提供了窗口和門(mén)控功能。窗口功能在隔離和識(shí)別單個(gè)響應(yīng)的時(shí)域測(cè)量中非常有用，而門(mén)控功能可以靈活地選擇去除不需要的間斷點(diǎn)的響應(yīng)，在傳輸測(cè)量中可以去掉多傳輸路徑的干擾。

4.2　測(cè)量步驟和測(cè)試曲線的分析

我們以圖11所示連接器為例，用戶(hù)要求由該連接器與電纜組成的雙頭電纜組件頻率在6－10GHz時(shí)電壓駐波比不大于1.20，由于電纜是多層復(fù)合屏蔽結(jié)構(gòu)外導(dǎo)體，介質(zhì)及外皮為聚四氟乙烯絕緣材料，故采用焊接結(jié)構(gòu)可以得到較好的電性能指標(biāo)。但按常規(guī)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算并完成設(shè)計(jì)后，組裝多根200 mm雙頭電纜組件后進(jìn)行測(cè)試，結(jié)果一致性很好，但不能滿(mǎn)足用戶(hù)要求。

測(cè)試曲線如圖12，測(cè)試頻段設(shè)為6-10GHz，9.88 GHz時(shí)電壓駐波比為1.254，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)要求指標(biāo)。曲線中峰-峰間頻率差約為0.45 GHz，電纜介質(zhì)相對(duì)介電常數(shù)1.44，則可推算出反射點(diǎn)的間距約為：
(3×10⁸/0.45×10⁹) ×1.44^1/2=200(mm)

這與電纜組件長(zhǎng)度基本相同，說(shuō)明相互疊加的反射主要來(lái)自于兩接頭處；從整個(gè)曲線的趨勢(shì)來(lái)看在每個(gè)連接器處應(yīng)至少有兩個(gè)集中反射點(diǎn)存在。

圖11  SMA焊接式射頻同軸連接器

圖12 優(yōu)化前電壓駐波比曲線

將儀器按照反射測(cè)量法低通階躍激勵(lì)模式進(jìn)行時(shí)域校準(zhǔn)，并接入待測(cè)件進(jìn)行時(shí)域測(cè)量分析。由于連接器中存在兩種不同材料，測(cè)量時(shí)將相對(duì)介電常數(shù)設(shè)為1以便于計(jì)算，則可得到圖13的測(cè)量曲線。

圖13　SMA連接器時(shí)域測(cè)量曲線

采用短路法找出連接器的基準(zhǔn)面“點(diǎn)1”，并將其它幾個(gè)標(biāo)記點(diǎn)放在波峰與波谷的位置，其中第6點(diǎn)處為電纜部位。由圖13中的曲線可知，由于電纜相對(duì)介電常數(shù)為1.44，而我們?cè)O(shè)定的介電常數(shù)為1，所以電纜組件的實(shí)際電長(zhǎng)度大于200mm空氣線的電長(zhǎng)度，所以在200mm處并沒(méi)有出現(xiàn)第二只連接器的曲線。

對(duì)圖中曲線進(jìn)行分析可知：點(diǎn)6所在的電纜部分阻抗均勻性較好，阻抗值偏低（49Ω左右），而連接器部分阻抗變化較大；在2、4兩點(diǎn)有感性不連續(xù)點(diǎn)，而處于焊接位置的5點(diǎn)由于焊接原因出現(xiàn)一容性不連續(xù)點(diǎn)。確定不連續(xù)點(diǎn)的位置可知，2點(diǎn)處于基準(zhǔn)面到A點(diǎn)之間的絕緣子部位，3點(diǎn)處于A點(diǎn)附近，4點(diǎn)位于B點(diǎn)附近，而5點(diǎn)位于C和D之間。根據(jù)以上信息對(duì)連接器進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)前絕緣子部分外導(dǎo)體內(nèi)徑尺寸偏大，而絕緣子與內(nèi)外導(dǎo)體之間均有較大的配合間隙，造成該部位阻抗偏大；而連接器焊接后由于后絕緣介質(zhì)片對(duì)內(nèi)導(dǎo)體的支撐強(qiáng)度較小，內(nèi)導(dǎo)體焊接以后普遍有后縮現(xiàn)象，造成B點(diǎn)臺(tái)階處錯(cuò)位補(bǔ)償過(guò)量（高阻段變長(zhǎng)），使該點(diǎn)呈感性，也使得C和D之間的后絕緣介質(zhì)部位因內(nèi)導(dǎo)體后移而導(dǎo)致該補(bǔ)償不足，使得該部位呈容性。

根據(jù)以上分析，對(duì)相關(guān)尺寸進(jìn)行調(diào)整，連接器性能大有改善，小批量試裝后測(cè)試，電壓駐波比小于1.15，滿(mǎn)足了用戶(hù)要求。

4.3　影響測(cè)試分析精度的一些因素

在對(duì)射頻同軸連接器作時(shí)域測(cè)量分析時(shí)我們希望所取得的響應(yīng)曲線是準(zhǔn)確的，并且盡可能分辯出相鄰很近的不連續(xù)點(diǎn)的響應(yīng)特性；在對(duì)較長(zhǎng)的電纜組件作缺陷定位時(shí)我們要去除掉響應(yīng)的重復(fù)疊加，保證測(cè)量的準(zhǔn)確性。這就要求掌握時(shí)域測(cè)量中常用到的兩個(gè)參數(shù)：響應(yīng)分辨率和無(wú)混淆距離。

4.3.1無(wú)混淆距離R

由于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀在頻域中的取樣有周期性間隔，這就導(dǎo)致了時(shí)域響應(yīng)的周期性，因而限制了最大測(cè)量距離。設(shè)定Δf為相鄰采樣點(diǎn)的頻率間隔，N為掃頻帶寬中采樣點(diǎn)的數(shù)量，f_stop為掃頻終止頻率，f_start為掃頻起始頻率，f_span為掃頻寬度，則有：
　　f_span＝f_stop－f_start
　　R＝1/Δf＝3 X 10⁸ X (N-1)/ f_span 
在反射法測(cè)量時(shí)，無(wú)混淆距離為R/2。例如：f_span＝20GH，N＝401點(diǎn)時(shí)，最大測(cè)量距離為R＝6ｍ，對(duì)于反射測(cè)量來(lái)說(shuō)無(wú)混淆距離為3ｍ；f_span＝1GH，N＝201點(diǎn)時(shí)，最大測(cè)量距離為R＝60ｍ，對(duì)于反射測(cè)量來(lái)說(shuō)無(wú)混淆距離為30ｍ。

由上式可見(jiàn)，提高R的方法是增加采樣點(diǎn)數(shù)N和減小f_span，但減小f_span會(huì)降低響應(yīng)的分辨率。

4.3.2　響應(yīng)分辨率ΔR_S

響應(yīng)分辨率是能分辨兩個(gè)相鄰響應(yīng)的最小距離。對(duì)于兩個(gè)幅度相等的響應(yīng)，ΔR_S等于響應(yīng)值50%的脈沖寬度。其表達(dá)式為：
ΔR_S＝0.6/f_span
例如：＝20GHz時(shí)，ΔR_S＝0.03ｍ，對(duì)于反射測(cè)量則可分辨距離為0.015ｍ的不連續(xù)點(diǎn)的時(shí)域響應(yīng)。

由上式可知，提高響應(yīng)分辨率的有效方法是提高掃頻寬度。另外利用窗口功能可以提高時(shí)域測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍，選擇最小的窗口可以有效縮短階躍上升時(shí)間，可成倍提高響應(yīng)分辨率。

5  結(jié)束語(yǔ)

2004年有三家國(guó)際著名連接器制造商的技術(shù)總監(jiān)來(lái)筆者所在公司進(jìn)行過(guò)技術(shù)交流，關(guān)于射頻同軸連接器設(shè)計(jì)及優(yōu)化方法問(wèn)題筆者向他們做了問(wèn)詢(xún)和了解，答案是一致的，那就是三維電磁仿真模擬和時(shí)域測(cè)量分析的方法在這些公司已得到非常普遍的應(yīng)用，是產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程不可缺少的步驟。但在我們國(guó)內(nèi)真正將其運(yùn)用到射頻同軸連接器及電纜組件設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程的單位還是非常的少。本文對(duì)三維電磁仿真模擬和時(shí)域測(cè)量分析的方法進(jìn)行了簡(jiǎn)單的介紹，希望能對(duì)從事連接器生產(chǎn)設(shè)計(jì)的工程技術(shù)人員有所幫助。由于專(zhuān)業(yè)所限，不足之處在所難免，希望批評(píng)指正。

作者：西安富士達(dá)科技股份有限公司　武向文

參考文獻(xiàn)
1、微波工程手冊(cè)　　
2、天線工程手冊(cè)　　林昌祿　聶在平　　電子工業(yè)出版社　2002年6月
3、同軸式TEM模通用無(wú)源器件　鄭兆翁　人民郵電出版社　1983年4月