关于射频同轴连接器基本设计原则的探讨
中国电子科技集团公司第四十研究所 李明德
摘 要 详细阐述了三项设计原则的来历和具体内容，分析了在应用中遇到的尴尬，因此，提出了预防无源交调（PIM）的设计原则，作为基本设计原则的补充。 关键词 基本设计原则 接触电阻 无源交调（PIM）
1引言
提起射频同轴连接器基本设计原则，在我国射频连接器行业设计界，人们很快会联想到三项基本设计原则。在我国，从上世纪七十年代在射频连接器行业“集中设计”开始，直到目前为止，整个行业人们对三项基本设计原则都记忆犹新，应用如初。三项基本设计原则来源于上世纪六十年代，美国的通用无线电公司（General Radio Company）的T·E·Mackenzie和A·E·Sanderson两位IEEE资深会员在IEEE会刊：《微波理论与技术》1966年1月号会刊上发表的题为“研制精密同轴标准和元件的一些基本设计原则”（Some Fundamental Design Principles for the Development of Precision Coaxial Standards and Components）长篇论文。在此文中，首次提出了研制精密同轴标准和元件的三项基本设计原则。虽然，此文是针对精密同轴标准和元件提出的，但是人们普遍地把这三项基本设计原则作为设计各种射频同轴连接器的设计指南。从该论文发表至今，四十年过去了。四十年来，随着科技的进步和发展，世界范围内的无线电行业和通信行业发生了翻天覆地的变化。那么，人们不禁要问，三项基本设计原则是否过时了，目前还适用么？三项基本设计原则能否全面地指导各种用途的射频同轴连接器的设计？对三项基本设计原则是否需要进行修正和补充，如果需要修正和补充又该如何进行呢？其具体内容是什么？本文试图从这些方面对基本设计原则进行探讨。
2 三项基本设计原则的回顾
对于三项基本设计原则，在我国上个世纪七十年代，在行业进行集中设计时，就把三项基本设计原则列为重要的设计参考之一，并普遍列出了它的具体内容。在一些射频连接器的论文著述中也多次被引用。而具体内容都是在当时的环境条件下，根据自己的理解翻译的，或者相互抄袭。虽然内容都来源于一处，但在行业中流传着多种表述；尽管基本内容雷同，但文字表达不一，还有画蛇添足之处，也未进行过标准化。为了统一说法，表述一致，现对照英文原文，重新进行翻译整理。并对关键词句注出原文，以备校对。内容如下：
设计原则1
在增量的基础上，尽可能保持一个恒定的特性阻抗。（Maintain a Constant characteristic impedance on an incremental basis whenever possible。）
在许多同轴元件中，在所有的横截面上没有保持一个恒定的特性阻抗。对导体直径上的阶梯、导体上的槽或间隙（非常短段的外导体外切割或内导体内切割），经常应用特性阻抗高于和低于标称阻抗的线段进行补偿，这样的设计不能应用到宽带精密元件上，内导体或外导体上的阶梯、槽、间隙和直径的大的变化引起的阻抗不连续，其同样也限制了宽带和性能。在整个元件的每一个截面上的特性阻抗（即：增量的特性阻抗），必须尽可能地保持接近标称值（例如50Ω），以达到最佳的宽带性能。
设计原则2
对于每一个不可避免的阻抗不连续，施加单独的共面补偿。（Introduce an individual Coplanar Compensation for each unavoidable impedance discontinuity。）
阻抗的不连续性总是不可避免的。例如，对于同轴线来说，如果一个导体已经没有阶梯或两个导体的直径都没有阶梯的话，在绝缘支撑的内侧和外侧上是不可能保持一个恒定的特性阻抗的，从
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而导致了阻抗的不连续性。在这种情况下，为了获得最好的性能，必须：首先把未补偿的不连续性减至最小，其次对剩余的不连续性施加单独的共面补偿。
共面补偿是呈现在电学上与最初的不连续性分布在同一区域上的补偿；于是导致了最宽的频带性能。为了补偿集中的不连续性，改变一长段传输线的特性阻抗的通常做法限制了带宽，应避免使用。
设计原则3
最大限度地减小电气性能对机械公差的依赖。（Minimize dependence of electrical performance on mechanical tolerances。）
在同轴元件中，导体尺寸的公差是不可避免的；然而，常常有几个机械公差对单个的导体直径公差产生影响。例如，UG插孔连接器（例如，N型插孔连接器）的内导体直径上的基本公差取决于三个直径公差：开槽插孔的外径、开槽插孔的内径和配对的插头内导体插针接触件的外径。
因此，重要的是，只允许一个机械公差影响电气上重要的尺寸，而该公差应施加于不受磨损的机械尺寸上。例如，文章中描述的内导体接触件的排列，接触是在导体的内侧。因而，内导体直径恰好依赖于一个机械公差，而电气性能与接触件磨损无关。
3 对三项基本设计原则的理解
从上世纪七十年代到现在，人们普遍认为，三项基本设计原则不仅适用于精密同轴标准和元件，而且适用于各种有特性阻抗要求的射频同轴连接器。它是指导这些射频同轴连接器设计的基本原则。客观实践也证明，偏离基本设计原则，难以实现对其电压驻波比（VSWR）性能的要求。以三项基本设计原则为指导，又导出了影响射频同轴连接器VSWR的主要因素。因此，它又是指导降低射频同轴连接器VSWR性能的路径和措施。因而至今为止，经验和事实也证明，三项基本设计原则没有过时，它一直是我们设计射频同轴连接器的设计指南。
从三项基本设计原则的内容来看，它是围绕着一个中心，即特性阻抗展开的。设计原则1，又称阻抗一致性原则，即在整个元件的每一个横截面上，应保持一个与标称阻抗恒定一致的特性阻抗；设计原则2，又称阻抗连续性原则，即对每一个不可避免的阻抗不连续，都要进行补偿；设计原则3，又称标注机械公差的原则，即把影响电气性能的机械公差减至最小。这里的电气性能也主要指特性阻抗。尽可能使决定特性阻抗的尺寸保持稳定，不因机械磨损使尺寸受影响，以避免因尺寸偏差导致阻抗的偏差，影响VSWR。
从适用性上看，设计原则中明确指出适用于宽带精密同轴标准和元件，并提出了注意事项。原则1指出：应用特性阻抗高于和低于标称阻抗的线段进行补偿，这样的设计不能应用到宽带精密元件上，内外导体上的阶梯、槽、间隙和大的直径变化，引起的阻抗不连续性也同样限制了带宽；原则2指出：为了补偿集中的不连续性，改变一长段传输线的特性阻抗的通常做法，限制了带宽，应避免使用。那么，当要求连接器只做窄带应用时，应如何设计？基本设计原则没有明确说明，但从基本设计原则的内容看，宽带覆盖了窄带，三项基本设计原则应该是适用的。而应用特性阻抗高于和低于标称阻抗的线段进行补偿和改变一长段传输线的特性阻抗的通常做法均限制了带宽，不适用宽带。能否在窄带应用呢？事实证明，可以应用在窄带连接器的设计。例如，目前移动通信市场广泛应用的7/16型连接器，一般要求在0～3GHz频率范围内应具备低VSWR性能，这对于其截止频率可达8GHz左右的频率范围来说可以认为是窄带应用，在流行的结构中，有的把绝缘支撑按54Ω设计，高于50Ω的特性阻抗标称值，在0～3GHz频率范围内，也获得了满意的低VSWR性能。 从三项基本设计原则的角度来看，都是从机械结构决定产品性能这个观念出发的。三项基本设计原则都是针对结构设计来讲的：原则1指传输线的每一个横截面结构形成的特性阻抗应等于、接近标称阻抗；原则2是指因内外导体的结构上发生的变化：阶梯、槽、间隙和大的直径变化引起的阻抗不连续，都应进行补偿；原则3是指尽可能把机械结构的尺寸公差对电气性能的影响减至最小。
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从特性阻抗公式：Z=60?rlnDd看，外导体内径D、内导体外径d和绝缘材料的相对介电常数ε
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确定后，则特性阻抗Z就确定；其公差ΔD、Δd和Δεr确定后，则特性阻抗的范围ΔZ也就确定。可见特性阻抗是一个结构参数。从结构确定性能这个观念出发，不管是铜合金，还是铁磁材料， 只要结构满足三原则，符合特性阻抗的要求，则VSWR也可满足要求，这种情况在行业普遍存在。
对基本设计原则3的理解。一般把原则3视为标注公差的原则。在三项基本设计原则的应用上，普遍存在重视原则1和2，往往忽略基本设计原则3的情况。因而，在实践中在应用原则3上常常出问题。对于原则3，重点是如何标注尺寸和公差，才能使电气性能对机械公差的依赖减至最小。通过实践，概括方法有：如原文所述，当有几个机械公差对单个导体直径产生影响时，尽可能使一个机械公差影响重要尺寸，而该公差应施加在不受磨损的机械尺寸上；缩小公差带，相当于提高机械加工精度等级。一般认为，这种作法将会增高加工成本。但目前一些企业，加工设备已由普通车床改换成数控车床，具有较高的加工精度，这样可以在不增大加工成本的基础上，酌情进行压缩；标注公差尺寸时，注意尺寸公差的积累，尽可能使公差积累在次要尺寸上。缩小尺寸链，使定位尺寸更准确。注意设计基准的选择，尽可能使设计基准不受多个尺寸公差的影响；注意影响电气性能的尺寸，如决定特性阻抗的尺寸、决定补偿的尺寸和影响特性阻抗的尺寸；注意界面尺寸的准确度。尽可能使标注的界面结构尺寸符合标准规定，要保证机械和电气基准面的尺寸稳定性。
对于三项基本设计原则，在实际应用中，应从设计的客观要求出发，能用几项算几项，不必求全责备，只要符合设计要求的性能即可。
4 三项基本设计原则的尴尬处境
随着通信业尤其是移动通信行业的快速发展，射频连接器、射频电缆及其电缆组件获得了广泛应用。到上个世纪九十年代，在国内外射频连接器行业，面对市场激烈竞争的形势下，一些企业为降低成本、耐使用或耐腐蚀，广泛应用不同的铁磁材料，如不锈钢、镀镍层等，几乎专门用来替代铜合金、镀银和镀金。而在通信市场，拓宽的网络、数字通信和个人通信系统，常常是通过提高发射功率电平，提高接收机的灵敏度或压缩频带带宽来实现既有系统的最大通信能力。在这种形势下，在通信行业久已销声匿迹的无源交调干扰问题又重新突现出来，成为通信行业GSM、DCS、PCS和其它无线电服务的一大问题。
一段时期以来，低PIM设计成为射频连接器行业设计师们和企业家们的一项热门话题。对降低VSWR一直卓有成效的三项基本设计原则，在PIM面前失灵了。按三项基本设计原则进行设计的射频连接器及其电缆组件，虽然VSWR和插入损耗符合通信市场要求，但PIM指标不合格，仍被通信行业退货，拒之门外。如何满足PIM指标，研究和解决PIM问题成为射频连接器行业急待解决的问题。使得人们对一直作为射频连接器设计指南的三项基本设计原则开始产生怀疑。启发人们在考虑三项基本设计原则为什么不能解决PIM问题？低交调设计与三项基本设计原则是什么关系？在世界范围内研究解决PIM的过程中，一些成功的世界知名企业在他们发表的论文中，也多次提出：“在新的高频信道通信系统中，为了满足低PIM要求，常常需要重新评价连接器的设计”，“对于低PIM的应用，需要对交付的进行的设计、制造和应用特别注意。材料的选择、接触设计和总体结构，需要在所了解的关于内部非线性的基础上进行重新评价。”这也说明了，为了解决PIM问题，解除三项基本设计原则的尴尬处境，需要对其进行重新评价，对三项基本设计原则需要进行补充。
5 对三项基本设计原则的补充
从对无源交调干扰的产生和预防以及射频连接器低PIM设计的研究过程中，发现三项基本设计原则与PIM的关系：产品性能VSWR合格，PIM指标不一定合格；而PIM指标合格，VSWR不一定合格。说明三项基本设计原则与PIM无关。三项基本设计原则不能解决PIM问题。低PIM设计
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也不能解决低VSWR问题。移动通信行业，对射频连接器及其电缆组件，既要求低VSWR，也要求低PIM。要使基本设计原则适用于各种射频连接器的设计要求，则必须在保持三项基本设计原则不变的情况下，对其进行补充，才能适用于低PIM设计。PIM的产生起源于铁磁非线性和接触非线性，低PIM设计的重点在于材料的选择和接触设计，体现接触非线性大小和接触设计优劣的标志是接触电阻的大小。由此，补充的设计原则是：
在射频电流的通道上，禁止使用铁磁材料，尽可能把接触电阻和导体电阻降至最小。
射频连接器的射频电流通道是指：外导体的内表面，内导体的外表面和内外导体上的接触面。产品结构确定后，接触电阻和导体电阻就是影响连接器的电气性能的决定性因素。内导体和外导体以及镀层不应使用含有铁磁金属的材料。应选择电导率尽可能大（或电阻率尽可能小）的材料；在电流的通道上，尽可能减少零件的数量和阶梯，最好是一件式。当接点不可避免时，应使接触面保持足够大的压力，保持足够的接触面积，足够高的表面光洁度，保持洁净不被污染，使接触电阻尽可能的小。机械加工应保证电流通过的表面具有足够高的表面粗糙度质量。
6 低交调设计的基本原则
如果把三项基本设计原则看作射频连接器低VSWR设计指南的话，那么也可以把补充的设计原则看作射频连接器低PIM设计指南。在射频电流的通道上禁止使用铁磁材料，尽可能把接触电阻和导体电阻降至最小，体现了进行设计时的材料选择原则。彻底清除了产生PIM的铁磁非线性的根源，应选择电导率高（或电阻率低）的材料。不含铁、镍的铜合金（无磁黄铜）一般认为线性材料是可以接受的；补充的设计原则也体现了接触设计和总体结构设计的原则和要求，即把接触电阻降至最小。接触电阻的大小是接触非线性的标志，把接触电阻降至最小，也就使接触非线性降至最小，有利于低PIM性能。接触电阻的大小与接触结合面的接触压力、接触面积、表面粗糙度和表面污染状况有关。因而，要把接触电阻降至最小，则应使接触表面保持足够的接触压力，尤其是在振动和弯曲的过程中，保持足够的接触面积，降低接触表面粗糙度，使接触表面洁净不受污染等。接触电阻的大小与电流通道上的接点数量有关，要降至最小，则应减小零件的数量，即减少接点，尽可能采用一件式；补充的设计原则，也体现了对连接器金属零件的电镀原则，即在电镀的成分中，不应使用铁磁材料，例如镍打底，应使用导电率高的材料，例如镀银等；补充的设计原则还体现了设计端接电缆的结构和选用射频电缆的原则。在端接电缆结构设计时，应把接触电阻降至最小，这样，应首选焊接结构，不得不选用无焊结构（针孔插合结构）时，则应提高针孔配合的接触压力。选择射频电缆时，应选择导体电阻尽可能小的电缆，导体电阻的大小排列依次是软电缆、皱纹导体电缆、半软电缆和半硬电缆，软电缆不可用，皱纹导体、半软电缆和半硬电缆都是满足要求的；补充的设计原则，把接触电阻和导体电阻尽可能降至最小，有利于降低连接器的热损耗，因而有利于降低连接器的插入损耗，也有利于提高功率连接器的可靠性。
7 结 语
三项基本设计原则发表于1966年，十年后1976年美国海军研究所对PIM问题进行了深入研究，并发表了“由射频连接器含有铁磁材料的金属零件引起的交调”的长篇论文，详细阐明了PIM的产生机理，并提出了一些建议。到1978年，该研究所又相继发表了“避免射频干扰的连接器设计技术”，结合前文，又提出了一些预防射频干扰的措施。从三项基本设计原则产生背景看，要求十年前发表的观点原则，全面解决十年后出现的新问题，是不切合实际的。随着科技的发展和进步，对三项基本设计原则进行补充和完善是正常的。
应用三项基本设计原则和补充的设计原则，应从实际出发，根据客观需要进行，不能刻求齐全。当连接器不要求低PIM时，则不必考虑补充的设计原则；在满足使用要求的情况下，也可有所取舍；而当既要求低VSWR，又要求低PIM应用时，则应全面考虑，尽可能既应用三项基本设计原则，又应用补充的设计原则。
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参考文献
1 T.E.Mackenzie and A.E.Sanderson.“Some Fundamental Design Principles for the Development of Precision Coaxial Standards and Components” .IEEE Trans Vol. MTT-14 No.1 January.1966.
2 Charles E.Young.“All Update on Intermodulation Generation By RF Connector Hardware Containing Ferromagnetic Materials” Ninth Annual Connector Symposium Proceedings of 20～21 October,1976. 3 Bruce Carlson.RF/microwave Connector Design for Low Intermodulation Generation 1992.
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关于射频同轴连接器基本设计原则的探讨
