各種類型的同軸適配器介紹

電子儀器設(shè)備用戶只要涉及高頻電信號(hào)傳輸或接收都很熟悉同軸連接，因?yàn)橛玫剿鼈冇玫牡胤教嗔?。以至于這種連接方式被認(rèn)為是理所當(dāng)然的——直到需要將多個(gè)儀器連接在一起或延長同軸電纜時(shí)。此時(shí)，設(shè)計(jì)人員或其他設(shè)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(diǎn)。 適配器種類繁多是有原因的。“三通”適配器可將一個(gè)信號(hào)源連接到多個(gè)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(hù)器和端子——所有這些都很常用，但有時(shí)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(shí)，選擇適配器時(shí)也需要用到這些知識(shí)。 本文先對傳輸線路進(jìn)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(yùn)用它們。所用實(shí)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(hào)源與負(fù)載連接起來的線路。傳輸線路的特性阻抗由導(dǎo)體的物理尺寸、間距和用于隔離導(dǎo)體的電介質(zhì)材料決定。同軸電纜的最常用特性阻抗為用于一般射頻設(shè)施的 50 歐姆 (Ω) 或用于視頻應(yīng)用的 75 Ω。 為了保證電源以最大效率向負(fù)載傳輸功率，信號(hào)源阻抗、傳輸線路特性阻抗和負(fù)載阻抗應(yīng)匹配。如果阻抗不匹配，那么一些能量就會(huì)從不匹配的結(jié)上反射回來。例如，如果負(fù)載阻抗與信號(hào)源和傳輸線路阻抗不同，那么能量就會(huì)從負(fù)載反射回信號(hào)源（圖 1）。

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(huì)造成測量誤差，并可能導(dǎo)致元器件損壞。信號(hào)源、傳輸線路和負(fù)載阻抗匹配可以防止產(chǎn)生駐波，因此有助于確保從信號(hào)源到負(fù)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(shè)計(jì)人員很快就會(huì)發(fā)現(xiàn)，適配器的種類很多，其功能往往都超越了構(gòu)成基本連接的需要。

三通適配器

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

信號(hào)源的輸出阻抗為 50 Ω，旨在輸入 50 Ω 的負(fù)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(shè)置為 50 Ω，則從信號(hào)源角度看其負(fù)載為 25 Ω，因此會(huì)削弱其輸出，并在電纜上產(chǎn)生駐波。解決這個(gè)問題的秘訣就是將同軸連接中間的儀器設(shè)置為高阻抗輸入端子，并將同軸連接遠(yuǎn)端的儀器設(shè)置為 50 Ω 輸入端子，如上圖所示。此時(shí)從信號(hào)源角度看，其負(fù)載將為 50 Ω，一切都會(huì)順暢運(yùn)行。 Amphenol RF 112461（圖 3）是一個(gè) BNC 三通，有一個(gè) BNC 插頭、兩個(gè) 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。

選擇三通的類型取決于儀器上使用的連接器，并視各個(gè)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?yàn)樵谶@些頻率下，適配器中的信號(hào)損耗會(huì)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）。

表 1：可使用適配器的常見同軸連接器系列。高于 40GHz 時(shí)，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(zhuǎn)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(gè) BNC 插頭連接到該儀器和一個(gè) SMA 插孔用于安裝 SMA 電纜（圖 4）。

設(shè)備用戶應(yīng)該牢記在心的是，只要使用適配器，互連器件帶寬就會(huì)降低到兩個(gè)連接器系列中較低的帶寬。以 BNC 轉(zhuǎn) 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(zhuǎn)換，反之亦然。

套管式和穿板式適配器

延長電纜或?qū)㈦娎|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(gè) 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(cè)（圖 5）。

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(hào)源串聯(lián)連接多個(gè)高阻抗輸入儀器時(shí)需要 50 Ω 的端子（圖 6）。

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

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(dāng)需要直接在儀器前面板上端接儀器時(shí)，這些端子很有用。雖然大多數(shù)示波器同時(shí)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(yīng)用。進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)分析儀校準(zhǔn)時(shí)，會(huì)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(hào)，允許射頻信號(hào)通過。它使用電容器阻擋直流電，用于保護(hù)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(nèi)隔直器，它使用的電容器與同軸電纜的內(nèi)導(dǎo)體或中心導(dǎo)體串聯(lián)

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

3. 內(nèi)/外隔直器，電容器同時(shí)與內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體都串聯(lián)

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(nèi)導(dǎo)體隔直器，可傳遞頻率為 300 千赫 (kHz) 至 3GHz 的信號(hào)，同時(shí)阻斷最高 16 伏的直流電壓，并在其工作頻率范圍內(nèi)具有較低的插入和回波損耗（圖 8）。

偏置三通

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

偏置三通可用來為遠(yuǎn)程電子設(shè)備提供直流電，可供電設(shè)備如安裝在天線上的的低噪聲放大器 (LNA)，同時(shí)還提供了一個(gè)無直流端口來連接射頻接收器。通過串聯(lián)電感施加直流偏壓時(shí)，會(huì)阻擋射頻信號(hào)施加到直流來源設(shè)備上。與隔直器一樣，純射頻端口通過串聯(lián)電容將直流輸入隔離出去。組合端口則可同時(shí)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(hào)。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(shí)典型值 0.5 分貝 (dB)。工作時(shí)，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(gè)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(hào)的頻譜。例如，為了測量模數(shù)轉(zhuǎn)換器 (ADC) 的有效位數(shù)，應(yīng)在信號(hào)發(fā)生器和該 ADC 之間插入一個(gè)低通濾波器。濾波器會(huì)衰減發(fā)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(hào)發(fā)生器。 Crystek 的 CLPFL-0100就是這樣的一個(gè)好實(shí)例，它是一個(gè) 7 階、100 MHz 低通濾波器，截止頻率為 100 MHz（圖 10）。

對于 100MHz 的輸入信號(hào)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(hào)發(fā)生器的諧波電平規(guī)格為 -66dB，濾波器就會(huì)將其降低到 -96dB 以下。

浪涌保護(hù)器

浪涌保護(hù)器有時(shí)也被稱為避雷器，用于保護(hù)敏感的電子產(chǎn)品免受雷電等瞬態(tài)浪涌的影響。這可以通過火花隙、氣體放電管或二極管來實(shí)現(xiàn)，這些器件會(huì)在電涌損壞所保護(hù)設(shè)備之前發(fā)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(hù)器，使用了一個(gè)可更換的氣體放電管。該放電管會(huì)在直流電壓高于 ±90 伏/20 A 時(shí)擊穿，可處理高達(dá) 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）。

浪涌保護(hù)器一般安裝在 L 型支架上，用大的低電感導(dǎo)體與低阻抗接地進(jìn)行電氣和機(jī)械連接。需要特別注意的是，接地連接的質(zhì)量會(huì)影響浪涌保護(hù)器的性能。

直插式衰減器

衰減器可在不使信號(hào)波形失真的情況下降低信號(hào)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(chǎn)品線中 13 個(gè)衰減器型號(hào)之一，衰減能力為 1 至 20dB。

直插式衰減器顯然是用來降低信號(hào)的功率電平的，但不太明顯的是，它們也可用于在串聯(lián)設(shè)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(fù)載阻抗前插入一個(gè)匹配的 3dB 衰減器。衰減器輸入信號(hào)在傳播到不匹配的負(fù)載時(shí)，會(huì)被衰減器降低 3dB。假設(shè)失配的是開路，那么整個(gè)信號(hào)會(huì)在負(fù)載處發(fā)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(huì)被改善，改善量相當(dāng)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(shù)有一個(gè)缺點(diǎn)，就是通過信號(hào)的振幅會(huì)降低 3dB，必須在網(wǎng)絡(luò)的其它地方進(jìn)行補(bǔ)償。Crystek CATTEN-03R0-BNC 在這種應(yīng)用中表現(xiàn)良好。

結(jié)語

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

原文標(biāo)題：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

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