RF基础理论.docx

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RF基础理论

理论和应用

作为射频连接器制造商的制造商，瑞可达公司拥有完备的同轴连接器系列，同轴连接器不同于别种类型的连接器和一些线缆终端，适当的选择和使用同轴连接器需要一些专门的知识，下面是简略地叙述、选择使用同轴连接器所涉及到的一些知识和理论。

射频理论基础

射频传播的正弦电磁波，首先我们想到的就是这种波的频率。

简单地说，如果一段电缆连接到一个振荡的电压源，那么电磁波就会沿着电缆向前传播，如果在这段电缆的任一点放置一个传感器，就可以检测到一个变化的电压（电场）和一个变化的磁场象波浪一样通过电缆，这就是一个电磁波。

它的电场和磁场都在不停的发生变化，电磁波的波形决定于信号源的波形。

表1显示了电磁波的频谱，可见光无线电波、视频、X光、王加玛射线，都是不同频率的电磁波，这里仅仅介绍能用电设备产生的信号以及能在电缆里或别的媒介里传播的部分，也就是说从0到50GHz的频段。

频率和波长名称应用

0——29.9KHz极低频ULF工业交流电，低音音响，超声波研磨，音频振荡器

30——299.9KHz低频LF中低音频

300——2999.9KHzMF电频调幅广播，航海用对讲电话，声纳

3——29.9MHZ高频HF市内广播，国际广播

30——299.9MHZ高频UHF基于高频电视C2到L9通道调频广播,警用无线系统

300——2999.9MHZ超高频UHF超高频电视C14——83通道微波炉航空用无线系统

3——29.9GHz特高频SHF无线通信，航海航空用雷达

30——299.9GHz极高频空间通信

注：

KHz=10Hz

MHZ=103KHz=106Hz

GHz=103MHZ=109Hz

表1

下面我们将详细论叙频率与波长的关系，脉冲的产生和如何应用，它们之间的不同之处以及传播方面的问题。

射频波是正弦波，它是平滑地从0点到最高点，然后到负的最低点，再返回到0点完成360o的一个周期，正的最高值与负的最高值绝对值相等。

电波的两个主要特征是频率和振幅、图（8）显示了这两个特征。

振幅是指光波达到最高值时的电压，频率是指单位时间内完成一个振动周期的次数，例如图8所示波形每秒钟重复了12次，那么它的频率就是12Hz，定义每个周期所需要的时间和T，则频率与周期的关系为

f=1/T.Hz

电波从信号源发出后的传播速度接近光速.电磁波在空气或真空以外的介质中传播时，它的传播速度与介质的介电常数的平方根成反比，也就是V=C/

，C也就是光速，为3X108,ε为介质的介电常数.

下表提供了一些介质的介电常数，

材料介电常数使用温度

TFE2.03-70+250°C

Polyethylene2.3-60+80°C

Nylon4.6-4.0-40+120°C

TPX2.12-65+85°C

Polypropylene2.25-40+105°C

Acetal3.7-65+85°C

信号的波长的表达式

脉冲

正弦信号常常通过振幅调制（AM）和频率调制（FM）来传输信息。

脉冲首先用在计算机等数字信号设备中，脉冲通常被用来触发信号（事件），脉冲上升下降的时延,振幅，脉冲密度是它的三个重要参数，图（10）显示了脉冲的三个重要参数。

脉冲上升的时延并不是指脉冲从0上升到振幅所需的时间；而是指脉冲从振幅的10%上升到振幅的90%所需的时间。

在现今的高速数字设备中，脉冲的上升/下降时延是一个非常重要的参数，图11显示若脉冲的上升/下降时延越少，则单位时间内就能获得更多的脉冲。

比特率是指：

系统每秒能够无误地处理的脉冲数量的最大值，也就是每秒钟传输二进制数的位数。

单位为bit/s或b/s、bps。

最大传输速度也可以用波特率来表示。

波特率又称调制速率，是针对模拟数据信号传输过程中，从调制解调器输出的调制信号，每秒钟载波调制状态改变的数值，单位是S/s，称为波特（baud）率。

因此，调制速率也称为波特率.

通常一个字节有10比特率，（7位传输数据；1位奇偶较验，还有两个起始终止位，共计10位。

）现在我们知道为什么传输需要快速的脉冲了。

下一个问题是怎样才能获得较快的脉冲上升时延。

一个脉冲是由大量的不同的频率成份组成的，脉冲的频率组成成位越多，频率越高，则脉冲就可以越陡峭，为了更好的理解这一点，请看图12。

在A，有波1和它的倍频波2，两个波加起来，就成了波S3（S3=1+3），当然这并不象一个脉冲方波，但是可以看到波峰开始显现平坦，波形开始陡峭。

如图12B，我们又加入了一个5倍频波；叠加后我们看到上升时延更加陡峭，而波峰也更加平坦，在图12中，加入了7倍频波，现在叠加后的波已经比较象一个脉冲波形了，它的波形越陡，上升时延就越小。

少的脉冲时延和窄的脉冲宽度需要较高的频率组成成份。

图12

导致数字信号变差的两个较普便的原因是1、电容过大，2、采用连接器的阻抗不匹配.选择一个阻抗匹配的连接器，在数字电路中特别是短电缆连接的电路中是非常重要的事情，回波过大会导致错误的信号和较高的误码率。

为较少的脉冲上升时延在高速数字系统中是必要的，我们就要尽量减少在系统中能削弱高频信号成份的因素。

信号的完整传输

要说明怎样保持信号的完整，就必需要知道信号在电缆里的形式和它是怎样在电缆里传输的，我们先讨论正弦波。

一个同轴电缆由外导体、内导体和中间的绝缘介质组成，如图13，外导体可能是一层纺织层或金属箔或金属壳。

一个电磁波在同轴电缆的外导体与同导体间形成一个电场和磁场。

电场方向是径向的而且在不停地变化。

变化的电场产生变化的磁场，磁场方向环绕内导体。

这个变化电场和磁场并没有扩展到电缆的任一空间，而仅仅在导体表面传播，在导体更深一点的地方磁场就迅速哀减掉了，这就是趋肤效应.在频率达到1MHz时，它的传输层（threeshin）深度为0.0078”（传输层传输95%的信号。

）在频率达到10GHZ时，它的传输层深度为0.00078”，所以在射频系统中，信号沿着内导体外表面和外导体内表面传输.在内导体内部，几个传输层更深的地方，它的材料对信号没有影响，所以在高频时一个镀金的塑料导体传输信号不比镀金的铜导体差。

哀耗

电磁波的能量损失主要表现在以下几个方面。

1、电缆内外导体间的阻抗虽然较小，但是在电缆比较长的时候就显得重要了，它会以热的形式损耗掉。

2、介质的损耗，介质的阻抗虽然很大，但不是无穷大，能量会在介质上陨耗掉。

3、电磁波工作在较高的频率，这里电缆就类似于天线，它会有一部分能量幅射出去。

4、阻抗不匹配产生能量被反射回去。

以上这四种损耗加在一起,就是一个传输系统的插入损耗。

连接器具有类似的损耗。

特性阻抗

电缆，连接器或传输系统所固有的一个特征参数。

电缆的特性阻抗由单位长度的电感和单位长度的电容来决定，定义如下：

阴抗ZO=

等效电路图如图15，R为导体纯电阻。

对于同轴电缆，有

Zo=

D为外导内径，d为内导外径。

图15

若两个系统间，特性阻抗相等也就是阻抗匹配时，它的传输损失可以达到最小。

（由于波长导致的特性阻抗的变化可以忽略不计。

）

阻抗的标准有50，75，和93——125，大多数系统采用50的特征阻抗，因为它既能传输较大的能量同时能保持较小的损耗，电话和广播采用75的特性阻抗，因为它的陨耗最小，低容量电缆的需要产生了93——125的系统，提高阻抗可通过改变导体直径和改变绝缘介质材料如充入空气的方法来实现。

回波：

当系统中特性阻抗发生变化时，会有一部分的波反射回去，反射系数的计算为

Vi和ZO分别为前面媒质的电压和特性阻抗，VR和ZR分别为后面媒质反射回来的电压和它的特性阻抗。

当负载阻抗与传输线特性阻抗不一致，就会产生反射波，入射波经两次反射就形成回波，它干扰入射波，能使传输信号产生畸变，回波损耗定义为反射系数倒数的分贝值，它表示反射波被衰耗的程度。

回波损耗的计算为：

VSWR（驻波比，电压驻波比）：

指入射电压和反射电压之间的相对大小比值，反映了传输性能好坏，电压驻波比越小（越接近于1），传输性能越好。

当终端负载阻抗与传输线特性阻抗不相等时，传输线上既有从信号源往向负载的入射波，又有由负载反射回信号源的反射波，传输线中的信号就是反射波与入射波的叠加。

叠加的结果，在传输线某些地方反射波和入射波同相，于是合成的信号最大，而在别一些地方反射波与入射波反相，于是合成信号最小，就产生了驻波。

合成信号的最大值与最小值的比，称为驻波比

S=（1+P）/（1-P）当系统全反射时，驻波比为无穷大，因最小信号值为0，当无反射时，驻波比为1。

图16

大多仪器都是测出反射系数P后算出驻波比。

图16显示了驻波比与回波损耗的对应表。

多重反射

如果系统中有连续的多个阻抗变化，每个变化产生一个反射系数，总的反射系数是各个反射系数的矢量和，它要考虑每个反射之间的距离，虽然计算是比较麻烦的，但是是可以测量出来的。

多重反射有可能导致共振现象。

这在微波理论中是比较独特的，现解这一点可以消除一些大的困难。

举一个例子可以使这一点更清楚。

如一个电磁波的波长为4CM。

在一个电缆里传输，特性阻抗从50变到25，反射系数为0.33，表示有1/3的信号被反射回信号源。

假定1/4波长，也就是1CM后面电缆的特性阻抗又变回50，1/3的信息又被反射回去了，如果没有相位损失，它反射到前一个界面，到那里又被反射回来，2/3的信息又被反射向信号源。

第一个反射波相位移动了180O。

第二个反射波（叠加，反射叠加）相位也被移动了180，因为它在1CM处反射了两次，两个波同相，这样，网络的驻波比就会是无穷大，因为25Ω的那一段恰好形成了一个共振。

如果25Ω的那一段长度为一个半波长，则驻波比可以达到最小。

所以，要避免电缆的长度，印制电路板，连接器的多重反射面之间的距离为λ/4、3λ/4等，在制造过程中，亦可以利用这一点周期性的变换电缆的阻抗使的电缆在某个电波频率上达到回波损耗最大。

数字信号的反射

前面所讨论的信号的哀耗，反射和驻波可以经过一些改变后应用到数字信号上，一个脉冲可以看成是许多高频信号的组合。

一个矩形波脉冲的最高频率组成成份可以通过下式计算出来。

f=0.35/上升时延（f=GHzt=10-9s）

不同频率的哀减使陡峭的上升时延变缓，甚至会使脉冲到不了检波器，这个脉冲的“泥潭”，类似于一个RC电路，有时候这个哀减也被称为电容性衰减。

一列连续的脉冲可以产生共振，如果一部分脉冲在一些界面上反射，这些反射波有可能

叠加起来形成一个假脉冲。

脉冲相对于频率的是比特率，就象正弦波有一个频率一样，它在电缆里可以形成反射，脉冲也能形成反射，脉冲的反射很容易照成误码，而接收系统会发出指令要求全发，结果会使系统传输速率比设定值要大大降低。

截止频率：

在同轴线缆的空气介质段中，电磁场可能传播的TE11模（高于TEM模的第一个高次模时的频率。

电磁场在高于这种模式被截止。

截止频率的估算式为：

D和d分别为外导体内径，内导体外径。

εo为空气介电常数。

连接器的材料和电镀

材料：

连接器的外壳，外导体等材料应选用导电性好，易于加工的材料。

我们一般选用59-1铅黄铜，因为它的价格在同类铜料中最便宜，而且很容易加工。

电镀性能也比较好。

对于连接器的关键零件插孔，我们一般采用弹性金属材料中最好的铍青铜材料，对于较低频率的应用场合，也可以用锡磷青铜来代替，因为铍青铜的价格比较高。

连接器的电介质一般采用聚四氟乙烯，可以达到最小的体积。

因为聚四氟乙烯的介电参数最大。

电镀：

根据不同的要求可以有不同的电镀方法，电镀要完成以下功能：

1、给导体好的电传导和热传导性能，

2、防止材料表面被氧化、腐蚀。

3、提供好的接触性能。

4、提高表面耐磨性能。

5、提供一个好的传导层。

电镀一般有以下选择：

镀金（gold）镀银（silver）镀镍（nickel）三元合金电镀（potargen）

镀金：

在镍底层上镀金，有以下优点

1、良好的可焊接性能。

2、极好的耐腐蚀性能。

3、低的接触电阻。

但镀金表面还是有一些弱的电磁性。

镀银：

表面镀银比镀金要便宜并且表面更硬一些。

它有极好的电和热传导性能，所以银是非常好的电镀材料。

镀银表面有很好的焊接性能。

并且银很易成型，有最小的接触电阻，在空气和水中有良好的耐腐蚀性能。

缺陷就是银在有氢硫化物的空气中会缓慢形成一层氧化膜，表面的光泽会因钝化而失去。

1、极好的电传导性能。

2、良好的耐腐蚀性能。

3、低的接触电阻。

4、良好的焊接性能。

不足之处就是镀银表面比较容易因氧化而失去光泽。

镀镍：

镀镍表面比镀金表面要硬一些，并且有较好的延展性。

外观美观。

在射频应用中，镀镍常应用在外壳表面上。

通常镀镍作为镀金等别种贵重电镀材料的底层。

1、极好的耐腐蚀性能。

2、极好的耐磨性能。

镀镍表面有弱的电磁性

三元合金电镀

是指由高导电性的银做基底，覆盖“三元合金”薄层的双层电镀技术，其中“三元合金”指铜锡锌的合金，铜占55%，锡占25-30%，锌占15-20%，“三元合金”外观与不锈钢相似。

其电阻系数为1.7μΩcm（RF-10GHz），导电率为59（106S/m）（RF-10GHz），接触电阻小于10mΩat100cN，在些微活性焊剂的帮助下呈可焊性。

“镀三元合金技术”为适应高频连接、在宽频范围内最大传导率的要求而产生，另外，“镀三元合金技术”能使射频器件在经受工业气体、汗渍等的腐蚀或刮擦后，保持良好的外观，而无保护的银镀层即使在通常环境下也会迅速氧化。

“镀三元合金技术”已广泛应用于同轴连接器、滤波器、波导和微波器件及其他射频器件。

“镀三元合金技术”结合了银优良的电导性及“三元合金”的耐腐蚀性，而三元合金的薄镀层在10GHz的范围内，不影响银优良电导性的表现。

1、持久的防刮擦及表面不敏感特性

2、优良的导体

3、不受有机物侵蚀

4、无磁性成分，优秀的交调特性

传输线的种类：

对称双导线：

一般用在阻抗匹配比较重要的场合，它只提供最低限度的屏蔽，阻抗值为300Ω到600Ω之间，阻抗降低时要把导体之间距离缩短。

这种导线并不常用，典型应用如电视机的天线馈线。

双绞线：

对称双导线的变形。

它由两段导线互相缠绕起来，它有比较恒定的特性阻抗和较好的电磁屏蔽，性能优于对称双导线。

它应用广泛，价格便宜，终接方便，在计算机工业中应用较多，但是，当需要较高的屏蔽时它就不适用了。

屏蔽双绞线：

用来消除电感及电容耦合，对绞形式排除了电感耦合，它主要用在设备内部，机柜，大楼等场合。

柔性（编织层）同轴电缆：

因为它的适应性好而成为最常用的一种屏蔽传输线。

同轴是指中心导体与外导体具有同一轴线外导体是金属编织层。

所以又叫做编织层同轴电缆。

这种类型

的电缆几乎应用到所有的内导体需要被完全屏蔽的地方。

屏蔽的性能取决于编织层的编织方式和编织层的层数。

三轴电缆：

它应用在屏蔽要求更高的场合，类似于屏蔽双绞线。

通常有一种“屏蔽电缆”的说法，它很类似于同轴电缆，不同在于它的内导体与外导体的位置不固定，因而它没有一个不变的特性阻抗。

半刚同轴电缆：

用一个管状外壳代替编织层，所以它的射频能量被全部约束在电缆内部，编织层电缆的一个缺点是它的屏蔽并不是100%的有效的，特别是在频率较高的时候，因为编织层能够泄露少量的微波幅射，通常这点并不成问题，但是，当需要较高的屏蔽时，就需要半刚同轴电缆了，比如：

当频率超过了30GHz时，就要用到半刚同轴电缆。

波纹管电缆：

它的外导体并不是平滑的而是成波纹或螺旋纹的形状。

波距或螺距一定，可使的在某个频率上驻波比最小。

波纹管电缆通常用在功率较大的场合。

如基站，天线。

RF同轴连器的互调

日益增长的移动互联工业需要宽的频带，要求能适应恶劣环境的射频连接器有更低的互调失真（IMD）。

互调是因为传输线路的非线性成份，就像一个性能不好的二极管一样产生了新的频率成份，也就是互调产物（IMP）。

这些新的频率出现在接收频段而通过了接收机干扰了信道。

瑞可达先进的技术使互调失真降低到了最低点。

现在移动通信的基础是GSM、CDMA、OPRS网络，7/16，和N型连接器能满足它日益增长的频率需要。

因为这些连接器工作在高速滤波器双工发射出口，（在双工器与天线之间）所以这里对连接器的要求非常严格，在这里系统工作在双工区不仅发射载波信号，而且接收信号。

在实际系统中，输出直接对应着输入。

一般来说，同轴连接器是一个线性无源器件。

遵循以下公式Y=MX+B

如图2，实际上同轴连接器中还存在着非线性成份这样产生的互调成份显然地会为系统带来噪声，当信号功率到达30dBm以上时，这种情况就更加明显了。

这些小的非线性有点类似于二次曲线，图3。

它对信号的失真可以明显地看到，正的1/2振幅明显地要大于负的1/2振幅。

把它转换到频率领域，它的波形为基本载波加上一个衰变的谐波，在发射通道中，它们会与别的载波成份互相组合，结果，就会产生新的频率成份。

其中有些频率成份与信号频率相近而能够通过滤波器被接收到如图4其中2F2-F1相互调产物IMP（3F2-2F1）（5阶IPAP）（4F2-3F1）（7阶IMP）于是形成了互调干扰。

原理如下：

非线性器件的输出电流ic与输入电压U的关系为

ic=a0+a1u+a2u2+a3u3+……（通常a1＞a2＞a3＞……）

（1）

假设有两个信号同时作用于非线性器件：

U=ACOSωAt+BCOSωBt

（2）

式

（1）中的失真项可表示为

（3）

假设ωA、ωB都接近ω0，当n=2时，展开失真项，会出现ωA+ωB和ωA-ωB

两种组合频率，它都将远离ω0，不形成互调干扰。

当n=4，6…等偶数阶所产生的组合频率与之类似。

然而，在三阶（n=3）失真项中，会出现2ωA-ωB、2ωB-ωA与2ωA+ωB、2ωB+ωA等组合频率，前两项接近ω0而落入接收机的通频带内，形成互调干扰。

此时也称三阶互调干扰。

在n=5，7…等奇数阶时也会出现3ωA-2ωB、3ωB-2ωA等类似失真项，此时称为五阶、七阶互调干扰，因为a1＞a2＞a3＞……高阶互调干扰将逐步减少，因此通常将互调干扰称为三阶互调。

射频同轴连接器的互调干扰原因：

有很多的原因会在RF连接器中产生非线性成份。

以下是几种比较普遍的原因。

1．电镀表面被污染。

2．电镀层厚度不够。

3．表面被腐蚀。

4．配合面两端材料不同。

5．信号通道里含有磁性材料。

6．接触压力过低。

7．接触面小于360o。

8．表面光洁度不够。

9．连接器内有碎片等污物。

10．信号通道过于复杂。

RF同轴连器的IMD的排除

为了降低IMD、瑞可达在设计及制造中采取了预防措施，归纳如下：

1．高质量的低互调的的电镀表面。

接触面必须防止污染。

并采用铬酸盐炖化处理。

银是电镀表面材料的首选，因为银的导电性最好。

用它电镀可以达到最低的接触电阻。

瑞可达的电镀方案电镀表面有卓越的耐磨，耐蚀性能，从而达到理想的低互调。

2．严格控制铜材料的合金成份。

这是高质量电镀表面的基础，并且保证原料和电镀表面之间的微电势最小。

3．消除不锈钢、锦、铁酸盐等磁性材料的污染。

磁性和含磁材料会导致非线性并且在接触面产生较高的接触电阻。

4．高质量的加工。

表面精度是非常重要的，信号主要从导体表面的一层传输，如果这个表面太粗糙的话，这产生的结果就象接触不良一样。

为了达到低互调，瑞可达设计保证表面精度达到0.4um的最大粗糙度。

5．接触面设计。

最重要的是接触面，重复的插拨会产生表面电镀层被氧化、腐蚀。

这些氧化层会干扰连接器的机械配合（当然也有电的配合），氧化物碎片会进一步到达金属和金属表面氧化层的界面，从而导致了高的互调。

6．设计保证一个适当的连接器的界面。

接触面压力不足会产生接触部分被氧化，最好的解决办法是表面钝化处理。

保证连接器界面轴向尺寸必须在公差范围内，连接器的界面保证与连接器保持物理接触。

在这一点上，尽量使连接器的针与孔紧密配合，从而达到低的互调。

连接器的最关键就集中在这里，要使针与孔配合时，破坏掉表层的氧化膜，从而达到一个金属对金属的，紧密的连接。

7．避免六边形压接会带来点接接触而不足的360oC。

的面接触，而且在测试的时候会导致不稳定，那样互调产物必然会多了，事实证明内导体焊接外导体焊或压接具有最好的功态和静态互调性能。

产品保证、品质

1．高品质的电镀6μ低互调的产品。

2．稳定的原料铜及其合金。

3．在传输通道中避免使用钢、锦、以及含铁元素材料等。

4．严格的加工质量

5．先进的设计保证连接界面以及面板界面

6．防止变形。