为微波/毫米波互连选择合适的同轴电缆和连接器的方法
品慧电子讯尽管流行的说法是“一切都在无线”，从而不再需要电缆组件，但实际情况是，这些组件在无线链路两端的电路中都是至关重要的，或者在许多情况下，要高速、低BER和免于窃听且可靠地传输数据，它们是唯一实用方法。
一些工程师开玩笑说，互连只不过是另外两个潜在问题源之间的潜在问题的根源。
当然这有一定的道理，但互连不仅仅是由屏蔽和绝缘体包围的铜线。今天的同轴电缆组件是从电气和机械角度进行高度设计的，并且通常包含用于机械、化学和其他保护的附加外层。 本文将探讨电缆（电线）以及完成互连电缆组件的连接器。
问：电缆与互连或电缆组件之间有什么区别？
答：严格来说，电缆只是电线的长度（这里是同轴电缆）。互连或电缆组件是连接有连接器的电缆。然而，流行的使用并不精确（在许多情况下也不需要精确），因此术语“电缆”通常指的是完整的电缆及其连接器。
问：为什么要使用同轴电缆？什么是同轴电缆的替代品？
答：对于除极少数情况外的所有情况，同轴电缆用于在较高频率下将RF/微波功率从A点传送到B点。传输射频功率而损耗很小的唯一可行替代方案是波导，这是一种刚性组件，它更难以指定、制造和使用。多年来，它是唯一的选择，在功率水平很高的情况下（数千瓦和更高的水平）它仍然是唯一选择。但是许多应用的功率水平要低得多，只有1瓦或几瓦。
问：同轴电缆的主要趋势是什么？
答：虽然主流应用曾经在1 GHz左右，但今天的智能手机和其他应用的运行频率为5和10 GHz。有些应用正在达到毫米波范围（高达100 GHz），包括新兴的5G无线标准，其工作频率为20、30和50 GHz，自动雷达工作频率为70-80 GHz。因此，需要以合理的成本为这些更高频率和更短波长的应用提供高性能同轴电缆。
问：为什么设计和构建这些更高频率的电缆很困难？
答：这可归因于物理定律和麦克斯韦方程。在这些较高的频率下，任何理论偏差都是有害因素，即使很微小。更高的频率意味着更短的波长，因此电缆的尺寸要更小，因此公差必须相对于尺寸更紧密。一些多GHz电缆现在的直径只有几毫米，比较低频率的电缆小十倍。这种情况正在加剧，从而许多这些电缆需要机械坚固。
在某些性能最高的应用中，由于弯曲、温度变化和其他“正常”变化而在电缆参数中发生的细微变化，都将使得性能被降低。一些供应商提供专门设计和制造的电缆以抵抗这些变化，但需要付出代价；在其他情况下，例如相控阵雷达系统，电缆必须进行插拔，以便跟踪并随温度变化而变化。
问：同轴电缆的基本结构是什么？
答：有三个主要部件，如图1所示。中心导体是由铜和少量铝制成的实心或绞合线。该中心导体被介电材料包围（通常是塑料和/或泡沫的混合物），使中心导体保持隔离、笔直和精确定位。电介质的选择会影响电气和机械性能，这是一个关键因素。
图1：同轴电缆概念简单，其单个中心导体通过介电材料与外屏蔽分开。
一些电介质可以处理更高的功率，更具抗压性，并且在整个频带上具有更一致的性能。请注意，一些较为便宜的同轴电缆使用了低质量的电介质，这会带来边际的、通常不稳定的性能。这对于低端应用来说可能是令人满意的，但是在需要中等到高性能的应用中会导致严重的、难以定位的问题（令人遗憾的是市场上存在许多伪造或贴错标签的电缆）。
在电介质的外侧是同轴电缆的屏蔽，在大多数情况下它由铜/铝箔和/或金属丝编织物制成。最后，整个组件由护套（通常为PVC）覆盖，以保护其免受环境影响并抵抗包括挤压、扭曲和扭结在内的损害。
如图2所示，还可能有额外的外层用于额外的保护；用于多GHz工作的高性能电缆是精心设计的无源元件。
图2：实际同轴电缆增加了与应用的电气和机械要求相匹配的功能，如PhaseFlex电缆所示。
问：大多数微波/毫米波电缆的阻抗是多少？
答：电缆的特征阻抗是一个重要参数，因为所有源和负载必须是阻抗匹配的，以实现最大功率传输和最小反射。几乎所有的微波/毫米波电缆都需要提供50欧姆的阻抗。
问：为什么是50欧姆？
答：1929年，贝尔实验室的研究人员分析显示，提供最佳功率处理能力的电缆阻抗约为30欧姆，但却无法获得能够提供此阻抗的电介质，同时，他们的分析表明最小化电缆衰减的最佳阻抗为77欧姆。所以50欧姆是妥协，如图3所示。
图3：研究人员使用电磁场理论和方程来量化功率处理、损耗和电缆阻抗之间的关系。
在有线电视等应用中，衰减比功率处理更为关键，使用了75欧姆的电缆。75欧姆的另一个优点是它可以通过简单的4：1巴伦轻松匹配标准的300欧姆折叠偶极天线元件。然而，在绝大多数微波/毫米波应用中，需要使用50欧姆的阻抗。
问：什么是关键的电缆性能参数？
答：除了阻抗，因素还包括：
l 衰减（也称为插入损耗）：距离和频率下的功率损耗，以每根电缆长度的dB损耗进行测量，例如30 dB / 100 Ft或10 dB / 30 m。衰减会随着频率的增加而增加；
l 最大频率：电缆衰减不再可接受的频率，这取决于应用；
l 屏蔽效能：衰减量，即屏蔽提供抵抗逃离屏蔽的电磁能量，是屏蔽设计、类型、覆盖范围和频率的函数，如图4所示；
图4：同轴电缆屏蔽可以用编织物、箔片或组合实现，以产生与电缆频率不同的衰减规格。
l 功率处理等级：同轴电缆在不击穿电介质的情况下可以处理的功率量，范围从几十瓦到几千瓦；对于许多消费者和大众市场应用而言，所需的量级非常低，大约为1瓦；
l 弯曲半径：电缆可承受的、对电气或机械性能没有任何不利影响的最小半径弯曲。电缆大致可分为为刚性、半刚性和柔性；通常，电缆的柔性越小，其性能就越稳定，尽管操作和安装/拆卸起来比较困难。最小弯曲半径可以小到几毫米或高达几十厘米，这取决于电缆直径、电介质和护套。
问：标准或广泛使用的电缆有哪些？
答：多年来，使用最广泛的电缆是RG-58 / U和RG / U-8（美国政府名称：R=射频，G=政府，U =通用规格）。基础RG-58 / U具有坚固的中心导体、50欧姆阻抗和5毫米直径，在50 MHz时衰减为10 dB / 100 m，在1 GHz时衰减为70 dB / 100 m。其他产品具有绞合中心导体。类似的RG-59 / U具有75欧姆的阻抗。
另一种电缆是RG-8 / U 50欧姆电缆，具有10毫米直径、绞合中心导体，50 MHz时衰减1.3 dB / 30 m，1 GHz时衰减7.4 dB / 30 m，4 GHz时衰减23 dB / 30 m。
问：这些是通用的唯一同轴电缆吗？
答：绝对不是。有许多标准的，以及供应商提供的众多专有变体，旨在超越一个或多个规范。例如，特殊版本可能具有改进的注意力（attention）、耐化学性、机械强度或温度系数等级。
因此，在指定新电缆或更换现有电缆时，了解供应商的版本是否唯一，或是否可与具有类似名称的其他电缆互换是很重要的。“安菲诺同轴电缆指南”表显示了一家主要供应商的标准和适用电缆，其中包括关键规格；其他供应商提供类似的表格；请注意有多少标准目录电缆可用。
微波/毫米波电缆本身没用；它需要用连接器端接，而不是几乎在每种情况下焊接到电路或元件上。
前面介绍了微波/毫米波互连和电缆组件中使用的同轴电缆。 但仅有一根电缆只是解决方案的一半；电缆必须用连接器端接。通常，完整的电缆/互连组件也称为电缆，但这通常不是难以界定的（但在某些情况下可能是这样，因此请注意）。
问：同轴电缆有哪些类型的连接器？
答：市面上有数十种标准连接器类型，可与相应的电缆尺寸、频率和功率处理额定值相匹配。
问：可以自己添加这些连接器端子吗？
答：可以，也不可以。对于较大的连接器（下面讨论），可以这样做，虽然特殊工具是有用的，但是如果这样做的人如果仔细遵循说明并且具有一些练习和技巧，则不是绝对需要的。有些连接器需要焊接，有些连接器需要压接，有些连接器只需要机械拧紧的螺母。
但是，这些自己动手的可能性仅适用于较大的连接器和电缆。许多最新的电缆及其连接器都非常薄（直径只有几毫米），连接器精细且易碎，组件中的任何缺陷都会严重降低电气和机械性能。由于这些原因，用于较高频率的大多数电缆和连接器是要从供应商预先订购的，这些供应商需要具有将指定的连接器端接到电缆的适当设备、工具和专有技术。
问：什么是标准连接器？
答：没有“标准”，但有几种因其传统原因和使用寿命而广泛使用：BNC、SMA和PL-259。
· BNC连接器（Bayonet Neill-Concelman的缩写，后两者在20世纪50年代初开发）是一种卡口连接器，最大约4 GHz，直径约14 mm）；它有50和75欧姆版本，如图5所示（两个版本有时会混淆，这会使系统性能受损）；
图5：经典的BNC连接器仍然被广泛使用，因为它的工作频率高达约4 GHz，并且其“卡口”锁定而易于安装/拆卸；它可以通过适量的练习在现场端接。
· SMA（SubMiniature A版）螺纹锁定，并且可用于18 GHz（有些版本可以在更高的频率下使用）；它是一个50欧姆的组件，直径约为8毫米，如图6所示；
· PL-259（20世纪30年代开发）直径为18毫米，也有螺钉，可用于约100 MHz，如图7所示;
图6：SMA连接器采用螺纹连接方式进行锁定，其带宽比BNC大得多。
图7：相对古老的PL-259是符合当今标准的低带宽连接器；它可以通过一些练习添加到现场的电缆中，并且仍然可以在旧设备上找到
· 75欧姆F型连接器与有线电视及相关系统配合使用，现有推入式和旋入式两种型号；它以低成本提供可接受的性能，并可在现场端接。
但是时代已经开始改变，目标频率越来越高，而且这些连接器对于当今的许多应用而言都太大了，并且没有数十GHz和更高操作所需的带宽。
问：其他哪些连接器广泛使用？
答：有很多，其中一些针对特定应用进行了优化，即其中一个参数（成本、损耗、大小）比其他参数重要得多。
问：连接器与频率有何关系？
答：同样，由于应用需求和优先级的多样性，有很多可供选择。图4显示了其中许多与最大有用频率的关系，但请记住，频率不是唯一的规格;成本，尺寸，功率处理和其他因素也是连接器决策的一部分。
答：同样，由于应用需求和优先级的多样性，业界有很多可供选择。图9显示了其中许多与最大有用频率的关系，但请记住，频率不是唯一的规格；成本、尺寸、功率处理和其他因素也是连接器决策的一部分。
图8：该表显示了许多使用中的标准微波/毫米波连接器及其带宽范围；每种类型都有针对其进行优化的特定属性。
问：连接器对可以接受多少个连接/断开周期？
答：这取决于各种规格中可接受的性能降低程度，以及其他因素。典型的连接器配对可以达到50到几百个周期，但这取决于连接器电镀、操作环境和其他因素。
两个连接器可以具有相同的电气规格但是电镀类型和厚度非常不同，例如镍银，并且因此在周期性能方面有着显著不同。
问：如何指定配对连接器半部（halves）？
答：视情况而定。在某些情况下，使用了相同的连接器名称，以及修改器“公”或“母”，其中公连接器具有对应于同轴电缆中心线的突出销，而母连接器具有接收销或接触的插座。 在其他情况下，“公”和“母”半部具有完全不同的名称，例如PL-259（公插头）和SO-239（相应的母插座）。这些不同命名约定的原因是历史的，并且与开发和使用连接器对的背景有关。
问：电缆是否有公连接器或母连接器？
答：通常，但并非总是如此，当机箱、面板或下一个连接接收到母头时，电缆会得到公连接器。但也有例外，连接器适用于所有情况。
问：如果由于设计问题，不匹配或紧急情况需要将一种类型的连接器连接到另一种类型，该怎么办？
答：好消息是适配器几乎适用于所有情况和不匹配组合。例如，您可以轻松获得BNC到SMA适配器。但是，必须谨慎使用这些适配器，因为互连的整体性能与其最薄弱的链路一样好。
还有“反极性”连接器，它具有公壳体和母中心触点，反之亦然。在异常情况下，这些可能是真正的问题解决方案，因此不必更换或重新制作整个电缆组件。
问：标准的更高频率和更高性能的可用电缆组件的案例有哪些？
答：有几家供应商提供高级测试场景所需的110-GHz电缆组件，如图10所示。这些电缆的直径只有1毫米，连接器相应很小。连接器或它与电缆的终端的任何缺陷，甚至灰尘斑点都会对性能产生不利影响，因此必须在每次使用前进行目视检查。一家供应商甚至提供了一个专门的预设为4英寸-磅（最大0.45牛米）的“突破”扭矩扳手，如图11所示，以确保连接器“恰到好处”地进行扭矩——这是至关重要的。
图9：这个1毫米直径的电缆组件适用于高达110 GHz的领域，它比刚性波导更容易使用，但在处理时需要小心和注意。
图10：必须检查电缆的连接器是否有污垢、灰尘和变形，这会严重影响性能；匹配扭矩扳手确保它数值是准确的，该数值使得它能够满足相应的性能规格。
在设计利用高速互连的应用时，在信号路径上浏览所有潜在的减速带是至关重要。必须了解并掌握以下因素：叠层、公差、通孔设计、迹线宽度、镀层和铜蚀刻，以实现最佳信号路径。 任何设计清单都应该包含连接器，而这些连接器往往被忽略。如果没有仔细检查，连接器可能会严重影响系统的信号完整性。
正确的连接器应该提供几个关键要素：
在目标带宽上配接阻抗
低于目标带宽的插入损耗
可靠连接到PCB
可靠连接到电缆系统
为了确保连接器可以为信号提供低损耗和配接阻抗，必须查看散射或s参数。S参数详细说明了线性电网的特性，并确定了带宽和电路损耗，从而揭示了其性能潜力。S参数数据由制造商提供，作为表征其连接器的一种方式，并应成为设计高速连接器时首先考虑的标准。设计师还应该在时域中转换并观察s参数，以及时域反射（TDR）图，并查看内部阻抗曲线。
由于连接器有很多种类（例如，端子类型、内部信号长度、材料等），设计人员需要了解s参数文件是如何创建的。在盲目地将touchstone文件放入仿真并相信结果之前，询问供应商几个问题是很重要的，其中包括：
1. 你想要的插针与仿真的插针配接吗？
2. 其他插针如何端接？
3.在提供的数据中使用了什么样的布局？
4.有没有残端？
5.用于表征的端子类型是什么？（例如电镀通孔、表面安装、压接）
6.夹具如何嵌入或测量中包含什么？
7.这是我需要的准确零件号吗？
优质供应商为每个客户的预期用途提供仿真和与测量相关的数据，从而为他们提供更准确的连接器对设计影响的评估，并增强他们在仿真数据中的置信度。
选择连接器时的另一个重要标准是PCB端接选项。连接器通常有多种端接形式，包括（但不限于）表面安装、压接和通孔锡膏（PIH），每种形式都有其独特的优缺点。压接端子结构非常坚固，可为PCB提供最大的保持力和连接性，但对高速应用也提出了严峻的挑战。从高密度压合连接器发送信号可能需要高层数PCB，从而通过电镀孔向上延伸得到最长路径，以到达连接器。钻孔的细长路径和固定直径可能会对较高频率的信号产生明显的不连续性，并可能阻碍高数据速率。
表面贴装端接更适合高速设计，并连接器发射点的配接阻抗可获得最大的灵活性。设计人员可以直接进入连接器的焊盘或使用选择的钻孔来提供通过PCB的路径。此外，导通孔可以埋入PCB内，或反向钻孔以减少未使用的通孔残端，并改善压接端接方式的频率响应。这种端接方法为高频设计提供了最大的好处，但不一定是稳健的。表面贴装连接器通常需要一些额外的加固件，例如安装硬件，以确保与PCB的牢固连接。
PIH端接是前两种风格之间的混合。与压接类似，PIH端子具有较短的非压接插针——插入镀通孔足迹并焊接到位。主要区别在于它的插针短得多，可以对钻孔进行反钻以去除信号上多余的残端。这种高密度连接器要做入PCB仍然存在挑战。选择供应商提供这些短至10mm的插针，可以提供改进的高频响应和与PCB的坚固连接。在从PCB转换到连接器时，每种端接类型都存在一些信号阻抗不连续性，并且每种端接类型都使得设计人员能够改变自由度以最小化不连续性对信号完整性的影响。
选择用于高速设计的连接器时，考虑接触配接连接器的方式也很重要。有几种配接接触的方法，每种方法都有其独特的一系列优点和局限，从而影响整体设计的信号完整性。边缘安装连接器是一种流行的配接接触方法。这些连接器具有可沿PCB焊盘滑动的弹簧指，可以在单一点处进行电气接触，从而使信号的间断性最小，但在高冲击和振动应用中可能有害（或需要额外的保持方法）。许多MSA标准设计（例如SFP、SFP +和QSFP）都使用这种类型的电气接口。
压接连接更加广泛地用于坚固的应用中。这个相当基本的系统由一个带插座的母头和一个带弹簧插针的公头组成。这种配接类别有两个或两个以上的接触点，与边缘安装配接系统提供的单点接触相比，可以提供多种优势。特别为高可靠性、高速度产品设计，图1所示的多个接触点可实现较低的接触电阻和信号电感，以及可靠耐用的连接，可承受极端振动。但是，插针和插座触点可能比边缘接触长，如果设计不当，可能会出现较大的不连续点。因此，研究制造商提供的s参数和阻抗图是至关重要的。
图11：Airborn的verSI®压接插针和插座连接器可在极端振动的高速应用中提供坚固可靠的低电感连接。
另外，在速度设计方面，重要的是要考虑相对于占地面积的吞吐量。图2比较了两个基本系统：一个采用25G /通道QSFP连接器，另一个采用10G /通道HD4连接器。由此产生的输出（4320Gbps与3600Gbps）表明，通过连接器设计实现的卓越密度，在相同托架系统中，与更高速度的25G QSFP连接器相比，10G HD4连接器可以产生更高的数据吞吐量，从而节省组件和能源成本，并且甚至数据中心平方英尺更具潜力。
图12：针对高密度设计的AirBorn 10GHD4®连接器可在同一托架系统内提供比25G QSFP连接器更高的吞吐量，从而实现组件和能源成本节省。
最终，设计师需要从A点到B点获得一个强大而不受干扰的信号，而正确的连接器是这段旅程的关键要素。毕竟，即使是最高速度的连接器如果经历间歇性打开，也是不利的。最优质的供应商提供多种连接器，以提供高速和高可靠性解决方案，端到端通道解决方案，与客户密切合作以评估他们的个别需求，并以最小的信号衰减开发最佳互连解决方案。设计师有多种连接器可供选择，因此应密切关注关联数据并明智地选择。
原创： BILL SCHWEBER
