【導(dǎo)讀】盡管流行的說法是“一切都在無線”，從而不再需要電纜組件，但實際情況是，這些組件在無線鏈路兩端的電路中都是至關(guān)重要的，或者在許多情況下，要高速、低BER和免于竊聽且可靠地傳輸數(shù)據(jù)，它們是唯一實用方法。
一些工程師開玩笑說，互連只不過是另外兩個潛在問題源之間的潛在問題的根源。
當(dāng)然這有一定的道理，但互連不僅僅是由屏蔽和絕緣體包圍的銅線。今天的同軸電纜組件是從電氣和機械角度進(jìn)行高度設(shè)計的，并且通常包含用于機械、化學(xué)和其他保護(hù)的附加外層。 本文將探討電纜（電線）以及完成互連電纜組件的連接器。
問：電纜與互連或電纜組件之間有什么區(qū)別？
答：嚴(yán)格來說，電纜只是電線的長度（這里是同軸電纜）。互連或電纜組件是連接有連接器的電纜。然而，流行的使用并不精確（在許多情況下也不需要精確），因此術(shù)語“電纜”通常指的是完整的電纜及其連接器。
問：為什么要使用同軸電纜？什么是同軸電纜的替代品？
答：對于除極少數(shù)情況外的所有情況，同軸電纜用于在較高頻率下將RF/微波功率從A點傳送到B點。傳輸射頻功率而損耗很小的唯一可行替代方案是波導(dǎo)，這是一種剛性組件，它更難以指定、制造和使用。多年來，它是唯一的選擇，在功率水平很高的情況下（數(shù)千瓦和更高的水平）它仍然是唯一選擇。但是許多應(yīng)用的功率水平要低得多，只有1瓦或幾瓦。
問：同軸電纜的主要趨勢是什么？
答：雖然主流應(yīng)用曾經(jīng)在1 GHz左右，但今天的智能手機和其他應(yīng)用的運行頻率為5和10 GHz。有些應(yīng)用正在達(dá)到毫米波范圍（高達(dá)100 GHz），包括新興的5G無線標(biāo)準(zhǔn)，其工作頻率為20、30和50 GHz，自動雷達(dá)工作頻率為70-80 GHz。因此，需要以合理的成本為這些更高頻率和更短波長的應(yīng)用提供高性能同軸電纜。
問：為什么設(shè)計和構(gòu)建這些更高頻率的電纜很困難？
答：這可歸因于物理定律和麥克斯韋方程。在這些較高的頻率下，任何理論偏差都是有害因素，即使很微小。更高的頻率意味著更短的波長，因此電纜的尺寸要更小，因此公差必須相對于尺寸更緊密。一些多GHz電纜現(xiàn)在的直徑只有幾毫米，比較低頻率的電纜小十倍。這種情況正在加劇，從而許多這些電纜需要機械堅固。
在某些性能最高的應(yīng)用中，由于彎曲、溫度變化和其他“正常”變化而在電纜參數(shù)中發(fā)生的細(xì)微變化，都將使得性能被降低。一些供應(yīng)商提供專門設(shè)計和制造的電纜以抵抗這些變化，但需要付出代價；在其他情況下，例如相控陣?yán)走_(dá)系統(tǒng)，電纜必須進(jìn)行插拔，以便跟蹤并隨溫度變化而變化。
問：同軸電纜的基本結(jié)構(gòu)是什么？
答：有三個主要部件，如圖1所示。中心導(dǎo)體是由銅和少量鋁制成的實心或絞合線。該中心導(dǎo)體被介電材料包圍（通常是塑料和/或泡沫的混合物），使中心導(dǎo)體保持隔離、筆直和精確定位。電介質(zhì)的選擇會影響電氣和機械性能，這是一個關(guān)鍵因素。
圖1：同軸電纜概念簡單，其單個中心導(dǎo)體通過介電材料與外屏蔽分開。
一些電介質(zhì)可以處理更高的功率，更具抗壓性，并且在整個頻帶上具有更一致的性能。請注意，一些較為便宜的同軸電纜使用了低質(zhì)量的電介質(zhì)，這會帶來邊際的、通常不穩(wěn)定的性能。這對于低端應(yīng)用來說可能是令人滿意的，但是在需要中等到高性能的應(yīng)用中會導(dǎo)致嚴(yán)重的、難以定位的問題（令人遺憾的是市場上存在許多偽造或貼錯標(biāo)簽的電纜）。
在電介質(zhì)的外側(cè)是同軸電纜的屏蔽，在大多數(shù)情況下它由銅/鋁箔和/或金屬絲編織物制成。最后，整個組件由護(hù)套（通常為PVC）覆蓋，以保護(hù)其免受環(huán)境影響并抵抗包括擠壓、扭曲和扭結(jié)在內(nèi)的損害。
如圖2所示，還可能有額外的外層用于額外的保護(hù)；用于多GHz工作的高性能電纜是精心設(shè)計的無源元件。
圖2：實際同軸電纜增加了與應(yīng)用的電氣和機械要求相匹配的功能，如PhaseFlex電纜所示。
問：大多數(shù)微波/毫米波電纜的阻抗是多少？
答：電纜的特征阻抗是一個重要參數(shù)，因為所有源和負(fù)載必須是阻抗匹配的，以實現(xiàn)最大功率傳輸和最小反射。幾乎所有的微波/毫米波電纜都需要提供50歐姆的阻抗。
問：為什么是50歐姆？
答：1929年，貝爾實驗室的研究人員分析顯示，提供最佳功率處理能力的電纜阻抗約為30歐姆，但卻無法獲得能夠提供此阻抗的電介質(zhì)，同時，他們的分析表明最小化電纜衰減的最佳阻抗為77歐姆。所以50歐姆是妥協(xié)，如圖3所示。
圖3：研究人員使用電磁場理論和方程來量化功率處理、損耗和電纜阻抗之間的關(guān)系。
在有線電視等應(yīng)用中，衰減比功率處理更為關(guān)鍵，使用了75歐姆的電纜。75歐姆的另一個優(yōu)點是它可以通過簡單的4：1巴倫輕松匹配標(biāo)準(zhǔn)的300歐姆折疊偶極天線元件。然而，在絕大多數(shù)微波/毫米波應(yīng)用中，需要使用50歐姆的阻抗。
問：什么是關(guān)鍵的電纜性能參數(shù)？
答：除了阻抗，因素還包括：
l 衰減（也稱為插入損耗）：距離和頻率下的功率損耗，以每根電纜長度的dB損耗進(jìn)行測量，例如30 dB / 100 Ft或10 dB / 30 m。衰減會隨著頻率的增加而增加；
l 最大頻率：電纜衰減不再可接受的頻率，這取決于應(yīng)用；
l 屏蔽效能：衰減量，即屏蔽提供抵抗逃離屏蔽的電磁能量，是屏蔽設(shè)計、類型、覆蓋范圍和頻率的函數(shù)，如圖4所示；
圖4：同軸電纜屏蔽可以用編織物、箔片或組合實現(xiàn)，以產(chǎn)生與電纜頻率不同的衰減規(guī)格。
l 功率處理等級：同軸電纜在不擊穿電介質(zhì)的情況下可以處理的功率量，范圍從幾十瓦到幾千瓦；對于許多消費者和大眾市場應(yīng)用而言，所需的量級非常低，大約為1瓦；
l 彎曲半徑：電纜可承受的、對電氣或機械性能沒有任何不利影響的最小半徑彎曲。電纜大致可分為為剛性、半剛性和柔性；通常，電纜的柔性越小，其性能就越穩(wěn)定，盡管操作和安裝/拆卸起來比較困難。最小彎曲半徑可以小到幾毫米或高達(dá)幾十厘米，這取決于電纜直徑、電介質(zhì)和護(hù)套。
問：標(biāo)準(zhǔn)或廣泛使用的電纜有哪些？
答：多年來，使用最廣泛的電纜是RG-58 / U和RG / U-8（美國政府名稱：R=射頻，G=政府，U =通用規(guī)格）。基礎(chǔ)RG-58 / U具有堅固的中心導(dǎo)體、50歐姆阻抗和5毫米直徑，在50 MHz時衰減為10 dB / 100 m，在1 GHz時衰減為70 dB / 100 m。其他產(chǎn)品具有絞合中心導(dǎo)體。類似的RG-59 / U具有75歐姆的阻抗。
另一種電纜是RG-8 / U 50歐姆電纜，具有10毫米直徑、絞合中心導(dǎo)體，50 MHz時衰減1.3 dB / 30 m，1 GHz時衰減7.4 dB / 30 m，4 GHz時衰減23 dB / 30 m。
問：這些是通用的唯一同軸電纜嗎？
答：絕對不是。有許多標(biāo)準(zhǔn)的，以及供應(yīng)商提供的眾多專有變體，旨在超越一個或多個規(guī)范。例如，特殊版本可能具有改進(jìn)的注意力（attention）、耐化學(xué)性、機械強度或溫度系數(shù)等級。
因此，在指定新電纜或更換現(xiàn)有電纜時，了解供應(yīng)商的版本是否唯一，或是否可與具有類似名稱的其他電纜互換是很重要的。“安菲諾同軸電纜指南”表顯示了一家主要供應(yīng)商的標(biāo)準(zhǔn)和適用電纜，其中包括關(guān)鍵規(guī)格；其他供應(yīng)商提供類似的表格；請注意有多少標(biāo)準(zhǔn)目錄電纜可用。
微波/毫米波電纜本身沒用；它需要用連接器端接，而不是幾乎在每種情況下焊接到電路或元件上。
前面介紹了微波/毫米波互連和電纜組件中使用的同軸電纜。 但僅有一根電纜只是解決方案的一半；電纜必須用連接器端接。通常，完整的電纜/互連組件也稱為電纜，但這通常不是難以界定的（但在某些情況下可能是這樣，因此請注意）。
問：同軸電纜有哪些類型的連接器？
答：市面上有數(shù)十種標(biāo)準(zhǔn)連接器類型，可與相應(yīng)的電纜尺寸、頻率和功率處理額定值相匹配。
問：可以自己添加這些連接器端子嗎？
答：可以，也不可以。對于較大的連接器（下面討論），可以這樣做，雖然特殊工具是有用的，但是如果這樣做的人如果仔細(xì)遵循說明并且具有一些練習(xí)和技巧，則不是絕對需要的。有些連接器需要焊接，有些連接器需要壓接，有些連接器只需要機械擰緊的螺母。
但是，這些自己動手的可能性僅適用于較大的連接器和電纜。許多最新的電纜及其連接器都非常薄（直徑只有幾毫米），連接器精細(xì)且易碎，組件中的任何缺陷都會嚴(yán)重降低電氣和機械性能。由于這些原因，用于較高頻率的大多數(shù)電纜和連接器是要從供應(yīng)商預(yù)先訂購的，這些供應(yīng)商需要具有將指定的連接器端接到電纜的適當(dāng)設(shè)備、工具和專有技術(shù)。
問：什么是標(biāo)準(zhǔn)連接器？
答：沒有“標(biāo)準(zhǔn)”，但有幾種因其傳統(tǒng)原因和使用壽命而廣泛使用：BNC、SMA和PL-259。
· BNC連接器（Bayonet Neill-Concelman的縮寫，后兩者在20世紀(jì)50年代初開發(fā)）是一種卡口連接器，最大約4 GHz，直徑約14 mm）；它有50和75歐姆版本，如圖5所示（兩個版本有時會混淆，這會使系統(tǒng)性能受損）；
圖5：經(jīng)典的BNC連接器仍然被廣泛使用，因為它的工作頻率高達(dá)約4 GHz，并且其“卡口”鎖定而易于安裝/拆卸；它可以通過適量的練習(xí)在現(xiàn)場端接。
· SMA（SubMiniature A版）螺紋鎖定，并且可用于18 GHz（有些版本可以在更高的頻率下使用）；它是一個50歐姆的組件，直徑約為8毫米，如圖6所示；
· PL-259（20世紀(jì)30年代開發(fā)）直徑為18毫米，也有螺釘，可用于約100 MHz，如圖7所示;
圖6：SMA連接器采用螺紋連接方式進(jìn)行鎖定，其帶寬比BNC大得多。
圖7：相對古老的PL-259是符合當(dāng)今標(biāo)準(zhǔn)的低帶寬連接器；它可以通過一些練習(xí)添加到現(xiàn)場的電纜中，并且仍然可以在舊設(shè)備上找到
· 75歐姆F型連接器與有線電視及相關(guān)系統(tǒng)配合使用，現(xiàn)有推入式和旋入式兩種型號；它以低成本提供可接受的性能，并可在現(xiàn)場端接。
但是時代已經(jīng)開始改變，目標(biāo)頻率越來越高，而且這些連接器對于當(dāng)今的許多應(yīng)用而言都太大了，并且沒有數(shù)十GHz和更高操作所需的帶寬。
問：其他哪些連接器廣泛使用？
答：有很多，其中一些針對特定應(yīng)用進(jìn)行了優(yōu)化，即其中一個參數(shù)（成本、損耗、大小）比其他參數(shù)重要得多。
問：連接器與頻率有何關(guān)系？
答：同樣，由于應(yīng)用需求和優(yōu)先級的多樣性，有很多可供選擇。圖4顯示了其中許多與最大有用頻率的關(guān)系，但請記住，頻率不是唯一的規(guī)格;成本，尺寸，功率處理和其他因素也是連接器決策的一部分。
答：同樣，由于應(yīng)用需求和優(yōu)先級的多樣性，業(yè)界有很多可供選擇。圖9顯示了其中許多與最大有用頻率的關(guān)系，但請記住，頻率不是唯一的規(guī)格；成本、尺寸、功率處理和其他因素也是連接器決策的一部分。
圖8：該表顯示了許多使用中的標(biāo)準(zhǔn)微波/毫米波連接器及其帶寬范圍；每種類型都有針對其進(jìn)行優(yōu)化的特定屬性。
問：連接器對可以接受多少個連接/斷開周期？
答：這取決于各種規(guī)格中可接受的性能降低程度，以及其他因素。典型的連接器配對可以達(dá)到50到幾百個周期，但這取決于連接器電鍍、操作環(huán)境和其他因素。
兩個連接器可以具有相同的電氣規(guī)格但是電鍍類型和厚度非常不同，例如鎳銀，并且因此在周期性能方面有著顯著不同。
問：如何指定配對連接器半部（halves）？
答：視情況而定。在某些情況下，使用了相同的連接器名稱，以及修改器“公”或“母”，其中公連接器具有對應(yīng)于同軸電纜中心線的突出銷，而母連接器具有接收銷或接觸的插座。 在其他情況下，“公”和“母”半部具有完全不同的名稱，例如PL-259（公插頭）和SO-239（相應(yīng)的母插座）。這些不同命名約定的原因是歷史的，并且與開發(fā)和使用連接器對的背景有關(guān)。
問：電纜是否有公連接器或母連接器？
答：通常，但并非總是如此，當(dāng)機箱、面板或下一個連接接收到母頭時，電纜會得到公連接器。但也有例外，連接器適用于所有情況。
問：如果由于設(shè)計問題，不匹配或緊急情況需要將一種類型的連接器連接到另一種類型，該怎么辦？
答：好消息是適配器幾乎適用于所有情況和不匹配組合。例如，您可以輕松獲得BNC到SMA適配器。但是，必須謹(jǐn)慎使用這些適配器，因為互連的整體性能與其最薄弱的鏈路一樣好。
還有“反極性”連接器，它具有公殼體和母中心觸點，反之亦然。在異常情況下，這些可能是真正的問題解決方案，因此不必更換或重新制作整個電纜組件。
問：標(biāo)準(zhǔn)的更高頻率和更高性能的可用電纜組件的案例有哪些？
答：有幾家供應(yīng)商提供高級測試場景所需的110-GHz電纜組件，如圖10所示。這些電纜的直徑只有1毫米，連接器相應(yīng)很小。連接器或它與電纜的終端的任何缺陷，甚至灰塵斑點都會對性能產(chǎn)生不利影響，因此必須在每次使用前進(jìn)行目視檢查。一家供應(yīng)商甚至提供了一個專門的預(yù)設(shè)為4英寸-磅（最大0.45牛米）的“突破”扭矩扳手，如圖11所示，以確保連接器“恰到好處”地進(jìn)行扭矩——這是至關(guān)重要的。
圖9：這個1毫米直徑的電纜組件適用于高達(dá)110 GHz的領(lǐng)域，它比剛性波導(dǎo)更容易使用，但在處理時需要小心和注意。
圖10：必須檢查電纜的連接器是否有污垢、灰塵和變形，這會嚴(yán)重影響性能；匹配扭矩扳手確保它數(shù)值是準(zhǔn)確的，該數(shù)值使得它能夠滿足相應(yīng)的性能規(guī)格。
在設(shè)計利用高速互連的應(yīng)用時，在信號路徑上瀏覽所有潛在的減速帶是至關(guān)重要。必須了解并掌握以下因素：疊層、公差、通孔設(shè)計、跡線寬度、鍍層和銅蝕刻，以實現(xiàn)最佳信號路徑。 任何設(shè)計清單都應(yīng)該包含連接器，而這些連接器往往被忽略。如果沒有仔細(xì)檢查，連接器可能會嚴(yán)重影響系統(tǒng)的信號完整性。
正確的連接器應(yīng)該提供幾個關(guān)鍵要素：
在目標(biāo)帶寬上配接阻抗
低于目標(biāo)帶寬的插入損耗
可靠連接到PCB
可靠連接到電纜系統(tǒng)
為了確保連接器可以為信號提供低損耗和配接阻抗，必須查看散射或s參數(shù)。S參數(shù)詳細(xì)說明了線性電網(wǎng)的特性，并確定了帶寬和電路損耗，從而揭示了其性能潛力。S參數(shù)數(shù)據(jù)由制造商提供，作為表征其連接器的一種方式，并應(yīng)成為設(shè)計高速連接器時首先考慮的標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)計師還應(yīng)該在時域中轉(zhuǎn)換并觀察s參數(shù)，以及時域反射（TDR）圖，并查看內(nèi)部阻抗曲線。
由于連接器有很多種類（例如，端子類型、內(nèi)部信號長度、材料等），設(shè)計人員需要了解s參數(shù)文件是如何創(chuàng)建的。在盲目地將touchstone文件放入仿真并相信結(jié)果之前，詢問供應(yīng)商幾個問題是很重要的，其中包括：
1. 你想要的插針與仿真的插針配接嗎？
2. 其他插針如何端接？
3.在提供的數(shù)據(jù)中使用了什么樣的布局？
4.有沒有殘端？
5.用于表征的端子類型是什么？（例如電鍍通孔、表面安裝、壓接）
6.夾具如何嵌入或測量中包含什么？
7.這是我需要的準(zhǔn)確零件號嗎？
優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商為每個客戶的預(yù)期用途提供仿真和與測量相關(guān)的數(shù)據(jù)，從而為他們提供更準(zhǔn)確的連接器對設(shè)計影響的評估，并增強他們在仿真數(shù)據(jù)中的置信度。
選擇連接器時的另一個重要標(biāo)準(zhǔn)是PCB端接選項。連接器通常有多種端接形式，包括（但不限于）表面安裝、壓接和通孔錫膏（PIH），每種形式都有其獨特的優(yōu)缺點。壓接端子結(jié)構(gòu)非常堅固，可為PCB提供最大的保持力和連接性，但對高速應(yīng)用也提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。從高密度壓合連接器發(fā)送信號可能需要高層數(shù)PCB，從而通過電鍍孔向上延伸得到最長路徑，以到達(dá)連接器。鉆孔的細(xì)長路徑和固定直徑可能會對較高頻率的信號產(chǎn)生明顯的不連續(xù)性，并可能阻礙高數(shù)據(jù)速率。
表面貼裝端接更適合高速設(shè)計，并連接器發(fā)射點的配接阻抗可獲得最大的靈活性。設(shè)計人員可以直接進(jìn)入連接器的焊盤或使用選擇的鉆孔來提供通過PCB的路徑。此外，導(dǎo)通孔可以埋入PCB內(nèi)，或反向鉆孔以減少未使用的通孔殘端，并改善壓接端接方式的頻率響應(yīng)。這種端接方法為高頻設(shè)計提供了最大的好處，但不一定是穩(wěn)健的。表面貼裝連接器通常需要一些額外的加固件，例如安裝硬件，以確保與PCB的牢固連接。
PIH端接是前兩種風(fēng)格之間的混合。與壓接類似，PIH端子具有較短的非壓接插針——插入鍍通孔足跡并焊接到位。主要區(qū)別在于它的插針短得多，可以對鉆孔進(jìn)行反鉆以去除信號上多余的殘端。這種高密度連接器要做入PCB仍然存在挑戰(zhàn)。選擇供應(yīng)商提供這些短至10mm的插針，可以提供改進(jìn)的高頻響應(yīng)和與PCB的堅固連接。在從PCB轉(zhuǎn)換到連接器時，每種端接類型都存在一些信號阻抗不連續(xù)性，并且每種端接類型都使得設(shè)計人員能夠改變自由度以最小化不連續(xù)性對信號完整性的影響。
選擇用于高速設(shè)計的連接器時，考慮接觸配接連接器的方式也很重要。有幾種配接接觸的方法，每種方法都有其獨特的一系列優(yōu)點和局限，從而影響整體設(shè)計的信號完整性。邊緣安裝連接器是一種流行的配接接觸方法。這些連接器具有可沿PCB焊盤滑動的彈簧指，可以在單一點處進(jìn)行電氣接觸，從而使信號的間斷性最小，但在高沖擊和振動應(yīng)用中可能有害（或需要額外的保持方法）。許多MSA標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計（例如SFP、SFP +和QSFP）都使用這種類型的電氣接口。
壓接連接更加廣泛地用于堅固的應(yīng)用中。這個相當(dāng)基本的系統(tǒng)由一個帶插座的母頭和一個帶彈簧插針的公頭組成。這種配接類別有兩個或兩個以上的接觸點，與邊緣安裝配接系統(tǒng)提供的單點接觸相比，可以提供多種優(yōu)勢。特別為高可靠性、高速度產(chǎn)品設(shè)計，圖1所示的多個接觸點可實現(xiàn)較低的接觸電阻和信號電感，以及可靠耐用的連接，可承受極端振動。但是，插針和插座觸點可能比邊緣接觸長，如果設(shè)計不當(dāng)，可能會出現(xiàn)較大的不連續(xù)點。因此，研究制造商提供的s參數(shù)和阻抗圖是至關(guān)重要的。
圖11：Airborn的verSI®壓接插針和插座連接器可在極端振動的高速應(yīng)用中提供堅固可靠的低電感連接。
另外，在速度設(shè)計方面，重要的是要考慮相對于占地面積的吞吐量。圖2比較了兩個基本系統(tǒng)：一個采用25G /通道QSFP連接器，另一個采用10G /通道HD4連接器。由此產(chǎn)生的輸出（4320Gbps與3600Gbps）表明，通過連接器設(shè)計實現(xiàn)的卓越密度，在相同托架系統(tǒng)中，與更高速度的25G QSFP連接器相比，10G HD4連接器可以產(chǎn)生更高的數(shù)據(jù)吞吐量，從而節(jié)省組件和能源成本，并且甚至數(shù)據(jù)中心平方英尺更具潛力。
圖12：針對高密度設(shè)計的AirBorn 10GHD4®連接器可在同一托架系統(tǒng)內(nèi)提供比25G QSFP連接器更高的吞吐量，從而實現(xiàn)組件和能源成本節(jié)省。
最終，設(shè)計師需要從A點到B點獲得一個強大而不受干擾的信號，而正確的連接器是這段旅程的關(guān)鍵要素。畢竟，即使是最高速度的連接器如果經(jīng)歷間歇性打開，也是不利的。最優(yōu)質(zhì)的供應(yīng)商提供多種連接器，以提供高速和高可靠性解決方案，端到端通道解決方案，與客戶密切合作以評估他們的個別需求，并以最小的信號衰減開發(fā)最佳互連解決方案。設(shè)計師有多種連接器可供選擇，因此應(yīng)密切關(guān)注關(guān)聯(lián)數(shù)據(jù)并明智地選擇。
原創(chuàng)： BILL SCHWEBER
