大功率射频同轴连接器的开发

2015-03-05李旗祥

机电元件 2015年4期

关键词：平均功率大功率导体

李旗祥

(四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000)

1 引言

发射功率的大小影响作用距离。大功率射频连接器主要应用于广播电视的发射系统、通信基站、大功率雷达等将大功率射频能量传输到发射天线的场合。要保证大功率发射系统可靠工作，需要各个分系统及元器件均能承受大功率能量的传输要求。

2 脉冲功率与平均功率

2.1 脉冲功率

发射功率分为脉冲功率和平均功率。射频连接器在传输大功率时，会承受高的电压，同时还有大电流通过。因此，连接器允许传输的射频功率会受到电压击穿以及电流发热的限制。前者取决于传输的脉冲峰值功率，后者取决于传输的平均功率。在一般情况下，只要连接器传输的平均功率不会造成连接器的过热，其峰值功率所产生的电压总是大大低于连接器允许的工作电压。在低的工作频率下，连接器内部的发热不显著，随着传输功率容量的增大，首先发生电击穿，此时允许传输的功率主要受连接器所允许的峰值功率的限制。此外，在脉冲大功率雷达应用场合，由于脉冲很短促，信号的瞬时脉冲功率很大，但其平均功率却不大，这时允许的传输功率同样也是受连接器所允许的峰值功率的限制。

射频连接器的额定脉冲功率即代表连接器可以长期安全工作而不发生电压击穿的峰值功率的规定值。额定峰值功率受连接器耐峰值电压、特性阻抗、调制、电压驻波比等因素的影响。

考核连接器耐脉冲功率需要确定的参数条件包括频率、脉冲宽度、占空比、持续时间(多个连续脉冲，即脉冲串)、环境等因素。脉冲宽度是指一个脉冲周期内发射脉冲信号的持续时间，一般在0.05～20μs之间，它不仅影响雷达的探测能力，还影响距离分辨力。占空比则是指在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与该周期时间的比值(t/T，一般与单个信号周期是一致的，见下图1)。例如:脉冲宽度1μs，脉冲周期4μs的脉冲信号，其占空比为0.25(25%)。

根据不同使用场合，脉冲宽度量级可能从μs到ms不等。脉冲宽度越宽，占空比越大，对连接器及系统的耐功率要求就越高。

图1 脉冲占空比图示

2.2 平均功率

射频连接器的额定平均功率(以下简称平均功率)代表连接器可以长期安全工作而不发生热损坏的平均功率值。要求连接器在额定功率下运行时，其內导体的温度(温度变化，即温升)不应超过所规定的允许值。

当连接器上传输的平均功率过大时，会产生内部过热。内部过热使绝缘支撑介质变软导致內导体偏心，严重时甚至会造成内、外导体之间的短路而烧毁设备。因此，内部过热是必须避免的。连接器内部发热最厉害的地方是內导体，而且其热量也最不容易散出，因此內导体是连接器中最热的地方。虽然射频连接器的內导体材质多为铜合金，本身通常都可以承受高温，但与其接触的绝缘介质会承受不了过高的温度。

因此，连接器的平均功率取决于连接器内部发热情况以及其散热的能力，并且和介质材料的耐高温能力相关。连接器内部发热取决于所传输的平均功率，还与连接器(组件)本身的损耗大小相关，连接器(组件)的损耗越低，发热就越小，可以传输的平均功率也越大。

连接器的散热能力取决于连接器的热、力学特性以及使用环境温度等。同时，绝缘介质的耐高温能力，对允许传输的功率也有很大限制。例如配接的电缆用耐高温的聚四氟乙烯介质电缆代替聚乙烯介质电缆，则组件的允许温升可以提高，从而提高了组件的功率容量。

射频连接器散热能力主要与介质材料相关。连接器内绝缘介质材料常为聚四氟乙烯和空气。由于空气的导热系数很低，连接器内部又无法形成对流热传递，散热就主要依靠空气热辐射和聚四氟乙烯将內导体所产生的热量传递到连接器外导体上，从而散发到周期环境之中。不同材料的热传导能力不一样，射频连接器常用材料导热系数见下表1。

表1 射频连接器常用材料的导热系数

另外，脉冲功率值和平均功率值之间是可以通过公式进行计算的。例如，在知道占空比和脉冲功率(Pt)，时，可以计算出平均功率(Pav)。它们之间的关系式为:

也就是说，平均功率等于脉冲功率与占空比的乘积。

3 大功率射频连接器设计注意事项

为保证大功率射频连接器工作的可靠性，设计需要从以下几个方面进行考虑。

3.1 射频连接器类型

功率容量与连接器截面的几何尺寸有关，截面尺寸越大，则功率容量越大。而对同一尺寸的传输系统，波长越接近截止波长，也即是频率越接近截止频率，功率容量就越低。

为保证连接器耐峰值功率的能力，必须考虑连接器内、外导体之间的耐峰值电压能力。耐峰值电压能力越高，就要求连接器内、外导体之间的爬电距离越大。也就是说，在特性阻抗确定的情况下，需要选用外形较大的射频连接器，如TNC、N、L29等系列射频连接器(对应插针(內导体)直径见下表2)。同时，长时间工作在大功率情况下，为降低內导体发热，也同样需要选择內导体直径较大的射频连接器。

表2 大功率射频连接器插针直径

3.2 接触可靠性

大功率射频连接器工作在高频高电压条件下，接触电阻的变化可能会引起接触对的温度变化。温度升高又使接触件受热蠕变，使弹性接触件的弹性变小。同时，接触件发热会使绝缘体受热变形引起反射增大。因此，在设计大功率射频连接器时，弹性接触件需要选择耐温高且弹性好的材料保证其接触可靠性。

3.3 低电压驻波比

射频传输的不连续性，如突变部分的补偿不当、密封圈的加入引起支撑介质介电常数的变化、电缆与连接器端接部分的不连续等都会使反射增大。零件之间的松脱、零件的机械强度不够都会引起大功率射频连接器的失效。因此，需要按照射频连接器的设计原则，尽可能降低射频连接器的电压驻波比，减小能量反射以减少发热，提高系统的发射效率。

3.4 零件加工

在加工工艺方面，各零件的尺寸精度、同轴度、表面粗糙度，特别是中心接触件外表面和外导体内表面的突变、毛刺等可能造成反射增大、射频跳火等现象。因此，需要严格控制零件的加工精度和表面光洁度。另外，连接器的电缆夹持装置及电缆装接工艺对连接器耐功率的可靠性也至关重要。

因此，大功率射频连接器设计时要保证机械结构合理、牢固，接触件的接触电阻要小，射频传输要保持电连续性，材料要选择得当，并且在加工和电缆组件的装接工艺方面要合理。

3.5 工作条件

射频连接器功率承受能力与使用条件(环境)密切相关。连接器的平均功率承载能力与工作频率、工作环境温度、海拔高度(气压)以及连接器本身的电压驻波比(VSWR)等因素有关。连接器所能承载的平均功率可用以下公式进行初步估算。

P=PF×CT×Ch×CV

其中，

P——连接器实际所能承载的平均功率，W;

PF——某一频率点，连接器的额定平均功率，W;

CT——工作环境温度系数;

Ch——海拔高度系数;

CV——电压驻波比系数。

如下图所示，相关设计资料给出了常用射频连接器额定平均功率与频率的典型对应关系图，可以作为功率设计的参考。

图2 连接器额定平均功率与频率的典型对应关系示意图

4 功率仿真分析

对于耐射频平均功率，可结合ANSYS的热分析软件，将电磁损耗映射到热分析软件中，仿真得到其温度场分布，以及产品承受射频功率容量情况下的性能，从而实现定量化的设计与分析。

大功率下电磁损耗产生的热可能导致高的温升，从而导致连接器中部分绝缘介质变形甚至达到熔点而融化或失效，因此，还可通过分析电磁的热效应，得到给定功率条件下的最高温度以及器件的最大功率容限。

连接器的功率容限分析对于大功率器件来说非常重要，其分析可以借助于ANSYS的热分析模块，温度变化导致的结构、性能变化，如结构形变，可通过ANSYS的结构分析模块得到相应的结果。在Workbench环境下的分析流程和热分析图例如下。

图3 ANSYS Workbench中电磁－热－结构多物理场耦合分析

图4 ANSYS电磁热分析示意图

5 耐射频功率检测

射频连接器实际耐功率是否符合要求，以前都是通过用户系统进行验证。近年来，国内厂家设计并生产了射频功率器件的功率检测系统，该系统主要由功率源、计算机、显示器、信号源、功率计和打印机等组成。使用该检测系统，元器件在交给用户之前就可以测试其耐功率性能是否满足要求。该检测设备可检测双端口器件和单端口器件，例如射频接头、射频电缆组件、微波开关、定向耦合器、隔离器和微波负载等承受功率的能力。

由于不同频段的耐功率要求差别较大，因此耐功率检测设备是按照不同频段进行设计和生产的。该功率检测设备的输入、输出一般为N型、3.5mm、2.92mm接口，能满足从低频到高频(40GHz)各个频段的功率测试要求。设备主要组成部分及外形如下图。