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                      了解同軸適配器的基本原理才能更好地使用這些非常有用的組件

                      發布時間:2022-03-08 責任編輯:wenwei

                      【導讀】電子儀器設備用戶只要涉及高頻電信號傳輸或接收都很熟悉同軸連接,因為用到它們用的地方太多了。以至于這種連接方式被認為是理所當然的——直到需要將多個儀器連接在一起或延長同軸電纜時。此時,設計人員或其他設備用戶可能要用到各種適配器;但在此之前,他們需要充分了解他們可能使用的每種適配器的用處和特點。


                      適配器種類繁多是有原因的?!叭ā边m配器可將一個信號源連接到多個儀器上,而“套管式”適配器則用于延長同軸電纜連接。此外還有隔直器、偏置三通、阻抗墊、浪涌保護器和端子——所有這些都很常用,但有時人們并不完全了解它們。正確使用這些適配器,需要掌握一些基本的傳輸線路知識,選擇適配器時也需要用到這些知識。


                      本文先對傳輸線路進行了簡要介紹。然后,介紹了各種類型的同軸適配器,描述了它們的工作方式,并展示如何最好地運用它們。所用實例器件來自 Amphenol RF、Amphenol 旗下 Times Microwave Systems 和 Crystek Corporation。


                      什么是傳輸線路?


                      傳輸線路是采用同軸電纜、扁平線、微帶線或其他形式將信號源與負載連接起來的線路。傳輸線路的特性阻抗由導體的物理尺寸、間距和用于隔離導體的電介質材料決定。同軸電纜的最常用特性阻抗為用于一般射頻設施的 50 歐姆 (Ω) 或用于視頻應用的 75 Ω。


                      為了保證電源以最大效率向負載傳輸功率,信號源阻抗、傳輸線路特性阻抗和負載阻抗應匹配。如果阻抗不匹配,那么一些能量就會從不匹配的結上反射回來。例如,如果負載阻抗與信號源和傳輸線路阻抗不同,那么能量就會從負載反射回信號源(圖 1)。


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                      入射波和反射波沿傳輸路徑疊加在一起,形成駐波,其波幅在路徑的物理長度上周期性變化。駐波會造成測量誤差,并可能導致元器件損壞。信號源、傳輸線路和負載阻抗匹配可以防止產生駐波,因此有助于確保從信號源到負載的最有效傳輸。


                      由于阻抗匹配的要求,使用正確的適配器是很重要的;但設計人員很快就會發現,適配器的種類很多,其功能往往都超越了構成基本連接的需要。


                      三通適配器


                      以一個由單信號源、示波器和頻譜分析儀組成的基本儀器系統為例(圖 2)。


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                      信號源的輸出阻抗為 50 Ω,旨在輸入 50 Ω 的負載。如果用三通適配器連接示波器和頻譜分析儀,兩者的輸入端子都設置為 50 Ω,則從信號源角度看其負載為 25 Ω,因此會削弱其輸出,并在電纜上產生駐波。解決這個問題的秘訣就是將同軸連接中間的儀器設置為高阻抗輸入端子,并將同軸連接遠端的儀器設置為 50 Ω 輸入端子,如上圖所示。此時從信號源角度看,其負載將為 50 Ω,一切都會順暢運行。


                      Amphenol RF 112461(圖 3)是一個 BNC 三通,有一個 BNC 插頭、兩個 BNC 插孔,帶寬為 4 千兆赫(GHz)。在上述示例的所示配置中,它可以用來完成儀器連接,帶寬低于 4 GHz。


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                      選擇三通的類型取決于儀器上使用的連接器,并視各個儀器的帶寬而定。一般來說,像三通這樣的同軸適配器不能用于超過 40 GHz 的帶寬,因為在這些頻率下,適配器中的信號損耗會成為問題。下面列出了一般可使用適配器的常見儀器同軸連接器及其顯著屬性(表 1)。


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                      表 1:可使用適配器的常見同軸連接器系列。高于 40GHz 時,適配器損耗過大而難以使用。(表格來源:Digi-Key Electronics)


                      連接器系列適配器


                      由于存在多種連接器類型,因此需要能夠從一種類型轉換到另一種類型??紤]必須從示波器或頻譜分析儀的輸入 BNC 連接器上配接一條 SMA 電纜。為此,Amphenol RF 242103 提供了一個 BNC 插頭連接到該儀器和一個 SMA 插孔用于安裝 SMA 電纜(圖 4)。


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                      設備用戶應該牢記在心的是,只要使用適配器,互連器件帶寬就會降低到兩個連接器系列中較低的帶寬。以 BNC 轉 SMA 適配器為例,帶寬是 4 GHz,取決的連接器類型是 BNC。


                      還有一些適配器提供從 50 Ω 到 75 Ω 的阻抗轉換,反之亦然。


                      套管式和穿板式適配器


                      延長電纜或將電纜穿過面板需要使用直通式(套管式)或穿板式適配器。這些適配器均可用于表 1 中所示連接器類型。舉例來說,Amphenol RF 132170 穿板式適配器就有兩個 SMA 插孔,使用 SMA 插頭的電纜可以連接到隔板或面板的任意一側(圖 5)。


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                      套管連接器可以配置為插孔對插孔,也可以配置為插頭對插頭,較少配置為插頭對插孔。


                      端子


                      從 50 Ω 信號源串聯連接多個高阻抗輸入儀器時需要 50 Ω 的端子(圖 6)。


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                      Amphenol RF 202120 50 Ω 端接器是一個配置為 BNC 插孔的同軸端子實例(圖 7)。


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                      BNC 插孔直接接受同軸電纜。另外也有采用 BNC 插頭形式端子,可與 BNC 插孔配接。當需要直接在儀器前面板上端接儀器時,這些端子很有用。雖然大多數示波器同時提供高阻抗和 50 Ω 輸入,但 50 Ω 范圍輸入有電壓限制,通常為 5 伏。示波器的 50 Ω 輸入也有 0.5 瓦的功率限制。202120 的額定功率為 1 瓦,可以處理 7 伏以上的電壓。


                      端子也可用于其它阻抗。例如,75 Ω 端接器常用于電視和視頻應用。進行網絡分析儀校準時,會使用零 Ω 或短路端子。


                      隔直器


                      隔直器是一種同軸適配器,可以阻擋直流信號,允許射頻信號通過。它使用電容器阻擋直流電,用于保護敏感的射頻元件免受直流電的影響。隔直器有三種類型:


                      1. 內隔直器,它使用的電容器與同軸電纜的內導體或中心導體串聯

                      2. 外隔直器,它使用的電容器與同軸電纜的屏蔽導體串聯

                      3. 內/外隔直器,電容器同時與內導體和外導體都串聯


                      所有類型的隔直器都被指定了特定的特性阻抗,通常為 50 或 75 Ω。Crystek Corporation CBLK-300-3 是一款 50 Ω 的內導體隔直器,可傳遞頻率為 300 千赫 (kHz) 至 3GHz 的信號,同時阻斷最高 16 伏的直流電壓,并在其工作頻率范圍內具有較低的插入和回波損耗(圖 8)。


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                      偏置三通


                      偏置三通與隔直器相關。它是一個三端口適配器,其中直流電源施加到一個端口上。第二個端口會將直流偏壓與來自隔離射頻端口的入射射頻信號組合在一起(圖 9)。


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                      偏置三通可用來為遠程電子設備提供直流電,可供電設備如安裝在天線上的的低噪聲放大器 (LNA),同時還提供了一個無直流端口來連接射頻接收器。通過串聯電感施加直流偏壓時,會阻擋射頻信號施加到直流來源設備上。與隔直器一樣,純射頻端口通過串聯電容將直流輸入隔離出去。組合端口則可同時通過射頻和直流分量。


                      Crystek Corporation BTEE-01-50-6000 是一款偏置三通,使用了 SMA 插孔,射頻帶寬為 50 兆赫 (MHz) 至 6 GHz。射頻端口接受最大功率為 2 瓦的射頻信號。直流端口的最大直流輸入為 16 伏。該偏置三通的插入損耗在 2 GHz 時典型值 0.5 分貝 (dB)。工作時,RF + DC 端口連接到 LNA 和天線。直流電源連接到 DC 端口,接收器連接到 RF 端口。


                      直插式濾波器


                      另一個有用的同軸適配器是直插式濾波器。低通、高通和帶通濾波器均可用于 BNC 或 SMA 連接器類型,用來控制電纜上所傳輸信號的頻譜。例如,為了測量模數轉換器 (ADC) 的有效位數,應在信號發生器和該 ADC 之間插入一個低通濾波器。濾波器會衰減發生器的諧波電平,從而大大提高了測量精度。這樣就可以使用成本較低的信號發生器。


                      Crystek 的 CLPFL-0100 就是這樣的一個好實例,它是一個 7 階、100 MHz 低通濾波器,截止頻率為 100 MHz(圖 10)。


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                      對于 100MHz 的輸入信號來說,使用該器件后其二次諧波將衰減 30dB,其更高次諧波將被衰減 60dB 以上。如果上例中的信號發生器的諧波電平規格為 -66dB,濾波器就會將其降低到 -96dB 以下。


                      浪涌保護器


                      浪涌保護器有時也被稱為避雷器,用于保護敏感的電子產品免受雷電等瞬態浪涌的影響。這可以通過火花隙、氣體放電管或二極管來實現,這些器件會在電涌損壞所保護設備之前發生電擊穿,將電涌放電至接地。


                      Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF 是一款 N 型連接器直插式浪涌保護器,使用了一個可更換的氣體放電管。該放電管會在直流電壓高于 ±90 伏/20 A 時擊穿,可處理高達 50 瓦的浪涌。它是直插式的,帶寬從直流到 3GHz,插入損耗為 0.1dB(最高 1GHz)和 0.2dB(最高 3GHz)(圖 11)。


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                      浪涌保護器一般安裝在 L 型支架上,用大的低電感導體與低阻抗接地進行電氣和機械連接。需要特別注意的是,接地連接的質量會影響浪涌保護器的性能。


                      直插式衰減器


                      衰減器可在不使信號波形失真的情況下降低信號的功率水平。同軸直插版本衰減器可提供固定的衰減,并具有各種插頭和插孔配置,可用于眾多連接器類型。


                      Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC 是一款 3dB、50 Ω、BNC 衰減器,帶寬為 0 至 1GHz,額定功率為 2 瓦(圖 12)。它是該公司產品線中 13 個衰減器型號之一,衰減能力為 1 至 20dB。


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                      直插式衰減器顯然是用來降低信號的功率電平的,但不太明顯的是,它們也可用于在串聯設備中提供阻抗隔離,以及減少阻抗失配和不必要的反射。


                      考慮在不匹配的負載阻抗前插入一個匹配的 3dB 衰減器。衰減器輸入信號在傳播到不匹配的負載時,會被衰減器降低 3dB。假設失配的是開路,那么整個信號會在負載處發生反射,并通過衰減器反彈回來,在衰減器輸入端又遭受另外的 3dB 損失。所以衰減器輸入端的回波損耗提高了 6dB。因此在衰減器輸入端觀察到的不匹配會被改善,改善量相當于衰減器值的兩倍——在這種情況下,總的減少量為 6dB。


                      這種技術有一個缺點,就是通過信號的振幅會降低 3dB,必須在網絡的其它地方進行補償。Crystek CATTEN-03R0-BNC 在這種應用中表現良好。


                      結語


                      在用同軸適配器連接儀器或其他設備時,設計人員和其他設備用戶需要了解傳輸線路的基本知識。一旦了解了這些知識,用戶就可以更好地利用這些非常有用的組件,讓它們發揮更廣泛的用處,包括改變連接器類型和特性阻抗、信號分支、濾波、浪涌保護、信號衰減以及直流控制和隔離。


                      來源:網絡



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