李旗祥

(四川華豐企業(yè)集團(tuán)有限公司，四川綿陽，621000)

1 引言

發(fā)射功率的大小影響作用距離。大功率射頻連接器主要應(yīng)用于廣播電視的發(fā)射系統(tǒng)、通信基站、大功率雷達(dá)等將大功率射頻能量傳輸?shù)桨l(fā)射天線的場合。要保證大功率發(fā)射系統(tǒng)可靠工作，需要各個分系統(tǒng)及元器件均能承受大功率能量的傳輸要求。

2 脈沖功率與平均功率

2.1 脈沖功率

發(fā)射功率分為脈沖功率和平均功率。射頻連接器在傳輸大功率時(shí)，會承受高的電壓，同時(shí)還有大電流通過。因此，連接器允許傳輸?shù)纳漕l功率會受到電壓擊穿以及電流發(fā)熱的限制。前者取決于傳輸?shù)拿}沖峰值功率，后者取決于傳輸?shù)钠骄β?。在一般情況下，只要連接器傳輸?shù)钠骄β什粫斐蛇B接器的過熱，其峰值功率所產(chǎn)生的電壓總是大大低于連接器允許的工作電壓。在低的工作頻率下，連接器內(nèi)部的發(fā)熱不顯著，隨著傳輸功率容量的增大，首先發(fā)生電擊穿，此時(shí)允許傳輸?shù)墓β手饕苓B接器所允許的峰值功率的限制。此外，在脈沖大功率雷達(dá)應(yīng)用場合，由于脈沖很短促，信號的瞬時(shí)脈沖功率很大，但其平均功率卻不大，這時(shí)允許的傳輸功率同樣也是受連接器所允許的峰值功率的限制。

射頻連接器的額定脈沖功率即代表連接器可以長期安全工作而不發(fā)生電壓擊穿的峰值功率的規(guī)定值。額定峰值功率受連接器耐峰值電壓、特性阻抗、調(diào)制、電壓駐波比等因素的影響。

考核連接器耐脈沖功率需要確定的參數(shù)條件包括頻率、脈沖寬度、占空比、持續(xù)時(shí)間(多個連續(xù)脈沖，即脈沖串)、環(huán)境等因素。脈沖寬度是指一個脈沖周期內(nèi)發(fā)射脈沖信號的持續(xù)時(shí)間，一般在0.05～20μs之間，它不僅影響雷達(dá)的探測能力，還影響距離分辨力。占空比則是指在一段連續(xù)工作時(shí)間內(nèi)脈沖占用的時(shí)間與該周期時(shí)間的比值(t/T，一般與單個信號周期是一致的，見下圖1)。例如:脈沖寬度1μs，脈沖周期4μs的脈沖信號，其占空比為0.25(25%)。

根據(jù)不同使用場合，脈沖寬度量級可能從μs到ms不等。脈沖寬度越寬，占空比越大，對連接器及系統(tǒng)的耐功率要求就越高。

圖1 脈沖占空比圖示

2.2 平均功率

射頻連接器的額定平均功率(以下簡稱平均功率)代表連接器可以長期安全工作而不發(fā)生熱損壞的平均功率值。要求連接器在額定功率下運(yùn)行時(shí)，其內(nèi)導(dǎo)體的溫度(溫度變化，即溫升)不應(yīng)超過所規(guī)定的允許值。

當(dāng)連接器上傳輸?shù)钠骄β蔬^大時(shí)，會產(chǎn)生內(nèi)部過熱。內(nèi)部過熱使絕緣支撐介質(zhì)變軟導(dǎo)致內(nèi)導(dǎo)體偏心，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)斐蓛?nèi)、外導(dǎo)體之間的短路而燒毀設(shè)備。因此，內(nèi)部過熱是必須避免的。連接器內(nèi)部發(fā)熱最厲害的地方是內(nèi)導(dǎo)體，而且其熱量也最不容易散出，因此內(nèi)導(dǎo)體是連接器中最熱的地方。雖然射頻連接器的內(nèi)導(dǎo)體材質(zhì)多為銅合金，本身通常都可以承受高溫，但與其接觸的絕緣介質(zhì)會承受不了過高的溫度。

因此，連接器的平均功率取決于連接器內(nèi)部發(fā)熱情況以及其散熱的能力，并且和介質(zhì)材料的耐高溫能力相關(guān)。連接器內(nèi)部發(fā)熱取決于所傳輸?shù)钠骄β?，還與連接器(組件)本身的損耗大小相關(guān)，連接器(組件)的損耗越低，發(fā)熱就越小，可以傳輸?shù)钠骄β室苍酱蟆?/p>

連接器的散熱能力取決于連接器的熱、力學(xué)特性以及使用環(huán)境溫度等。同時(shí)，絕緣介質(zhì)的耐高溫能力，對允許傳輸?shù)墓β室灿泻艽笙拗?。例如配接的電纜用耐高溫的聚四氟乙烯介質(zhì)電纜代替聚乙烯介質(zhì)電纜，則組件的允許溫升可以提高，從而提高了組件的功率容量。

射頻連接器散熱能力主要與介質(zhì)材料相關(guān)。連接器內(nèi)絕緣介質(zhì)材料常為聚四氟乙烯和空氣。由于空氣的導(dǎo)熱系數(shù)很低，連接器內(nèi)部又無法形成對流熱傳遞，散熱就主要依靠空氣熱輻射和聚四氟乙烯將內(nèi)導(dǎo)體所產(chǎn)生的熱量傳遞到連接器外導(dǎo)體上，從而散發(fā)到周期環(huán)境之中。不同材料的熱傳導(dǎo)能力不一樣，射頻連接器常用材料導(dǎo)熱系數(shù)見下表1。

表1 射頻連接器常用材料的導(dǎo)熱系數(shù)

另外，脈沖功率值和平均功率值之間是可以通過公式進(jìn)行計(jì)算的。例如，在知道占空比和脈沖功率(Pt)，時(shí)，可以計(jì)算出平均功率(Pav)。它們之間的關(guān)系式為:

也就是說，平均功率等于脈沖功率與占空比的乘積。

3 大功率射頻連接器設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為保證大功率射頻連接器工作的可靠性，設(shè)計(jì)需要從以下幾個方面進(jìn)行考慮。

3.1 射頻連接器類型

功率容量與連接器截面的幾何尺寸有關(guān)，截面尺寸越大，則功率容量越大。而對同一尺寸的傳輸系統(tǒng)，波長越接近截止波長，也即是頻率越接近截止頻率，功率容量就越低。

為保證連接器耐峰值功率的能力，必須考慮連接器內(nèi)、外導(dǎo)體之間的耐峰值電壓能力。耐峰值電壓能力越高，就要求連接器內(nèi)、外導(dǎo)體之間的爬電距離越大。也就是說，在特性阻抗確定的情況下，需要選用外形較大的射頻連接器，如TNC、N、L29等系列射頻連接器(對應(yīng)插針(內(nèi)導(dǎo)體)直徑見下表2)。同時(shí)，長時(shí)間工作在大功率情況下，為降低內(nèi)導(dǎo)體發(fā)熱，也同樣需要選擇內(nèi)導(dǎo)體直徑較大的射頻連接器。

表2 大功率射頻連接器插針直徑

3.2 接觸可靠性

大功率射頻連接器工作在高頻高電壓條件下，接觸電阻的變化可能會引起接觸對的溫度變化。溫度升高又使接觸件受熱蠕變，使彈性接觸件的彈性變小。同時(shí)，接觸件發(fā)熱會使絕緣體受熱變形引起反射增大。因此，在設(shè)計(jì)大功率射頻連接器時(shí)，彈性接觸件需要選擇耐溫高且彈性好的材料保證其接觸可靠性。

3.3 低電壓駐波比

射頻傳輸?shù)牟贿B續(xù)性，如突變部分的補(bǔ)償不當(dāng)、密封圈的加入引起支撐介質(zhì)介電常數(shù)的變化、電纜與連接器端接部分的不連續(xù)等都會使反射增大。零件之間的松脫、零件的機(jī)械強(qiáng)度不夠都會引起大功率射頻連接器的失效。因此，需要按照射頻連接器的設(shè)計(jì)原則，盡可能降低射頻連接器的電壓駐波比，減小能量反射以減少發(fā)熱，提高系統(tǒng)的發(fā)射效率。

3.4 零件加工

在加工工藝方面，各零件的尺寸精度、同軸度、表面粗糙度，特別是中心接觸件外表面和外導(dǎo)體內(nèi)表面的突變、毛刺等可能造成反射增大、射頻跳火等現(xiàn)象。因此，需要嚴(yán)格控制零件的加工精度和表面光潔度。另外，連接器的電纜夾持裝置及電纜裝接工藝對連接器耐功率的可靠性也至關(guān)重要。

因此，大功率射頻連接器設(shè)計(jì)時(shí)要保證機(jī)械結(jié)構(gòu)合理、牢固，接觸件的接觸電阻要小，射頻傳輸要保持電連續(xù)性，材料要選擇得當(dāng)，并且在加工和電纜組件的裝接工藝方面要合理。

3.5 工作條件

射頻連接器功率承受能力與使用條件(環(huán)境)密切相關(guān)。連接器的平均功率承載能力與工作頻率、工作環(huán)境溫度、海拔高度(氣壓)以及連接器本身的電壓駐波比(VSWR)等因素有關(guān)。連接器所能承載的平均功率可用以下公式進(jìn)行初步估算。

P=PF×CT×Ch×CV

其中，

P——連接器實(shí)際所能承載的平均功率，W;

PF——某一頻率點(diǎn)，連接器的額定平均功率，W;

CT——工作環(huán)境溫度系數(shù);

Ch——海拔高度系數(shù);

CV——電壓駐波比系數(shù)。

如下圖所示，相關(guān)設(shè)計(jì)資料給出了常用射頻連接器額定平均功率與頻率的典型對應(yīng)關(guān)系圖，可以作為功率設(shè)計(jì)的參考。

圖2 連接器額定平均功率與頻率的典型對應(yīng)關(guān)系示意圖

4 功率仿真分析

對于耐射頻平均功率，可結(jié)合ANSYS的熱分析軟件，將電磁損耗映射到熱分析軟件中，仿真得到其溫度場分布，以及產(chǎn)品承受射頻功率容量情況下的性能，從而實(shí)現(xiàn)定量化的設(shè)計(jì)與分析。

大功率下電磁損耗產(chǎn)生的熱可能導(dǎo)致高的溫升，從而導(dǎo)致連接器中部分絕緣介質(zhì)變形甚至達(dá)到熔點(diǎn)而融化或失效，因此，還可通過分析電磁的熱效應(yīng)，得到給定功率條件下的最高溫度以及器件的最大功率容限。

連接器的功率容限分析對于大功率器件來說非常重要，其分析可以借助于ANSYS的熱分析模塊，溫度變化導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)、性能變化，如結(jié)構(gòu)形變，可通過ANSYS的結(jié)構(gòu)分析模塊得到相應(yīng)的結(jié)果。在Workbench環(huán)境下的分析流程和熱分析圖例如下。

圖3 ANSYS Workbench中電磁－熱－結(jié)構(gòu)多物理場耦合分析

圖4 ANSYS電磁熱分析示意圖

5 耐射頻功率檢測

射頻連接器實(shí)際耐功率是否符合要求，以前都是通過用戶系統(tǒng)進(jìn)行驗(yàn)證。近年來，國內(nèi)廠家設(shè)計(jì)并生產(chǎn)了射頻功率器件的功率檢測系統(tǒng)，該系統(tǒng)主要由功率源、計(jì)算機(jī)、顯示器、信號源、功率計(jì)和打印機(jī)等組成。使用該檢測系統(tǒng)，元器件在交給用戶之前就可以測試其耐功率性能是否滿足要求。該檢測設(shè)備可檢測雙端口器件和單端口器件，例如射頻接頭、射頻電纜組件、微波開關(guān)、定向耦合器、隔離器和微波負(fù)載等承受功率的能力。

由于不同頻段的耐功率要求差別較大，因此耐功率檢測設(shè)備是按照不同頻段進(jìn)行設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的。該功率檢測設(shè)備的輸入、輸出一般為N型、3.5mm、2.92mm接口，能滿足從低頻到高頻(40GHz)各個頻段的功率測試要求。設(shè)備主要組成部分及外形如下圖。

圖5 耐射頻功率檢測系統(tǒng)示意圖

6 結(jié)束語

文章介紹了影響峰值功率及平均功率的主要因素，大功率射頻連接器的設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)，電磁熱仿真分析，射頻功率測試系統(tǒng)等內(nèi)容，可供射頻工程師設(shè)計(jì)時(shí)參考。

［1］ 張明友，汪學(xué)剛.雷達(dá)系統(tǒng).

［2］ 汪祥興.射頻電纜設(shè)計(jì)手冊.

［3］ 吳正平.射頻連接器設(shè)計(jì)及論文匯編.