什么是传输线路？各种类型的适配器原理

电子仪器设备用户只要涉及高频电信号传输或接收都很熟悉同轴连接，因为用到它们用的地方太多了。以至于这种连接方式被认为是理所当然的——直到需要将多个仪器连接在一起或延长同轴电缆时。此时，设计人员或其他设备用户可能要用到各种适配器；但在此之前，他们需要充分了解他们可能使用的每种适配器的用处和特点。

  适配器种类繁多是有原因的。“三通”适配器可将一个信号源连接到多个仪器上，而“套管式”适配器则用于延长同轴电缆连接。此外还有隔直器、偏置三通、阻抗垫、浪涌保护器和端子——所有这些都很常用，但有时人们并不完全了解它们。正确使用这些适配器，需要掌握一些基本的传输线路知识，选择适配器时也需要用到这些知识。  

本文先对传输线路进行了简要介绍。然后，介绍了各种类型的同轴适配器，描述了它们的工作方式，并展示如何最好地运用它们。所用实例器件来自 Amphenol RF、Amphenol 旗下 Times Microwave Systems 和 Crystek Corporation。  

什么是传输线路？

传输线路是采用同轴电缆、扁平线、微带线或其他形式将信号源与负载连接起来的线路。传输线路的特性阻抗由导体的物理尺寸、间距和用于隔离导体的电介质材料决定。同轴电缆的最常用特性阻抗为用于一般射频设施的 50 欧姆 (Ω) 或用于视频应用的 75 Ω。   为了保证电源以最大效率向负载传输功率，信号源阻抗、传输线路特性阻抗和负载阻抗应匹配。如果阻抗不匹配，那么一些能量就会从不匹配的结上反射回来。例如，如果负载阻抗与信号源和传输线路阻抗不同，那么能量就会从负载反射回信号源（图 1）。  

  入射波和反射波沿传输路径叠加在一起，形成驻波，其波幅在路径的物理长度上周期性变化。驻波会造成测量误差，并可能导致元器件损坏。信号源、传输线路和负载阻抗匹配可以防止产生驻波，因此有助于确保从信号源到负载的最有效传输。   由于阻抗匹配的要求，使用正确的适配器是很重要的；但设计人员很快就会发现，适配器的种类很多，其功能往往都超越了构成基本连接的需要。  

三通适配器

以一个由单信号源、示波器和频谱分析仪组成的基本仪器系统为例（图 2）。  

  信号源的输出阻抗为 50 Ω，旨在输入 50 Ω 的负载。如果用三通适配器连接示波器和频谱分析仪，两者的输入端子都设置为 50 Ω，则从信号源角度看其负载为 25 Ω，因此会削弱其输出，并在电缆上产生驻波。解决这个问题的秘诀就是将同轴连接中间的仪器设置为高阻抗输入端子，并将同轴连接远端的仪器设置为 50 Ω 输入端子，如上图所示。此时从信号源角度看，其负载将为 50 Ω，一切都会顺畅运行。   Amphenol RF 112461（图 3）是一个 BNC 三通，有一个 BNC 插头、两个 BNC 插孔，带宽为 4 千兆赫（GHz）。在上述示例的所示配置中，它可以用来完成仪器连接，带宽低于 4 GHz。  

  选择三通的类型取决于仪器上使用的连接器，并视各个仪器的带宽而定。一般来说，像三通这样的同轴适配器不能用于超过 40 GHz 的带宽，因为在这些频率下，适配器中的信号损耗会成为问题。下面列出了一般可使用适配器的常见仪器同轴连接器及其显著属性（表 1）。  

表 1：可使用适配器的常见同轴连接器系列。高于 40GHz 时，适配器损耗过大而难以使用。（表格来源：Digi-Key Electronics）  

连接器系列适配器

由于存在多种连接器类型，因此需要能够从一种类型转换到另一种类型。考虑必须从示波器或频谱分析仪的输入 BNC 连接器上配接一条 SMA 电缆。为此，Amphenol RF 242103 提供了一个 BNC 插头连接到该仪器和一个 SMA 插孔用于安装 SMA 电缆（图 4）。  

  设备用户应该牢记在心的是，只要使用适配器，互连器件带宽就会降低到两个连接器系列中较低的带宽。以 BNC 转 SMA 适配器为例，带宽是 4 GHz，取决的连接器类型是 BNC。   还有一些适配器提供从 50 Ω 到 75 Ω 的阻抗转换，反之亦然。  

套管式和穿板式适配器

延长电缆或将电缆穿过面板需要使用直通式（套管式）或穿板式适配器。这些适配器均可用于表 1 中所示连接器类型。举例来说，Amphenol RF 132170 穿板式适配器就有两个 SMA 插孔，使用 SMA 插头的电缆可以连接到隔板或面板的任意一侧（图 5）。  

  套管连接器可以配置为插孔对插孔，也可以配置为插头对插头，较少配置为插头对插孔。  

端子

从 50 Ω 信号源串联连接多个高阻抗输入仪器时需要 50 Ω 的端子（图 6）。  

  Amphenol RF 202120 50 Ω 端接器是一个配置为 BNC 插孔的同轴端子实例（图 7）。  

  BNC 插孔直接接受同轴电缆。另外也有采用 BNC 插头形式端子，可与 BNC 插孔配接。当需要直接在仪器前面板上端接仪器时，这些端子很有用。虽然大多数示波器同时提供高阻抗和 50 Ω 输入，但 50 Ω 范围输入有电压限制，通常为 5 伏。示波器的 50 Ω 输入也有 0.5 瓦的功率限制。202120 的额定功率为 1 瓦，可以处理 7 伏以上的电压。   端子也可用于其它阻抗。例如，75 Ω 端接器常用于电视和视频应用。进行网络分析仪校准时，会使用零 Ω 或短路端子。  

隔直器

隔直器是一种同轴适配器，可以阻挡直流信号，允许射频信号通过。它使用电容器阻挡直流电，用于保护敏感的射频元件免受直流电的影响。隔直器有三种类型：

1. 内隔直器，它使用的电容器与同轴电缆的内导体或中心导体串联

2. 外隔直器，它使用的电容器与同轴电缆的屏蔽导体串联

3. 内/外隔直器，电容器同时与内导体和外导体都串联

所有类型的隔直器都被指定了特定的特性阻抗，通常为 50 或 75 Ω。Crystek Corporation CBLK-300-3 是一款 50 Ω 的内导体隔直器，可传递频率为 300 千赫 (kHz) 至 3GHz 的信号，同时阻断最高 16 伏的直流电压，并在其工作频率范围内具有较低的插入和回波损耗（图 8）。  

偏置三通

偏置三通与隔直器相关。它是一个三端口适配器，其中直流电源施加到一个端口上。第二个端口会将直流偏压与来自隔离射频端口的入射射频信号组合在一起（图 9）。  

  偏置三通可用来为远程电子设备提供直流电，可供电设备如安装在天线上的的低噪声放大器 (LNA)，同时还提供了一个无直流端口来连接射频接收器。通过串联电感施加直流偏压时，会阻挡射频信号施加到直流来源设备上。与隔直器一样，纯射频端口通过串联电容将直流输入隔离出去。组合端口则可同时通过射频和直流分量。   Crystek Corporation BTEE-01-50-6000 是一款偏置三通，使用了 SMA 插孔，射频带宽为 50 兆赫 (MHz) 至 6 GHz。射频端口接受最大功率为 2 瓦的射频信号。直流端口的最大直流输入为 16 伏。该偏置三通的插入损耗在 2 GHz 时典型值 0.5 分贝 (dB)。工作时，RF + DC 端口连接到 LNA 和天线。直流电源连接到 DC 端口，接收器连接到 RF 端口。  

直插式滤波器

另一个有用的同轴适配器是直插式滤波器。低通、高通和带通滤波器均可用于 BNC 或 SMA 连接器类型，用来控制电缆上所传输信号的频谱。例如，为了测量模数转换器 (ADC) 的有效位数，应在信号发生器和该 ADC 之间插入一个低通滤波器。滤波器会衰减发生器的谐波电平，从而大大提高了测量精度。这样就可以使用成本较低的信号发生器。   Crystek 的 CLPFL-0100 就是这样的一个好实例，它是一个 7 阶、100 MHz 低通滤波器，截止频率为 100 MHz（图 10）。  

  对于 100MHz 的输入信号来说，使用该器件后其二次谐波将衰减 30dB，其更高次谐波将被衰减 60dB 以上。如果上例中的信号发生器的谐波电平规格为 -66dB，滤波器就会将其降低到 -96dB 以下。  

浪涌保护器

浪涌保护器有时也被称为避雷器，用于保护敏感的电子产品免受雷电等瞬态浪涌的影响。这可以通过火花隙、气体放电管或二极管来实现，这些器件会在电涌损坏所保护设备之前发生电击穿，将电涌放电至接地。   Amphenol Time Microwave Systems LP-GTR-NFF 是一款 N 型连接器直插式浪涌保护器，使用了一个可更换的气体放电管。该放电管会在直流电压高于 ±90 伏/20 A 时击穿，可处理高达 50 瓦的浪涌。它是直插式的，带宽从直流到 3GHz，插入损耗为 0.1dB（最高 1GHz）和 0.2dB（最高 3GHz）（图 11）。  

  浪涌保护器一般安装在 L 型支架上，用大的低电感导体与低阻抗接地进行电气和机械连接。需要特别注意的是，接地连接的质量会影响浪涌保护器的性能。  

直插式衰减器

衰减器可在不使信号波形失真的情况下降低信号的功率水平。同轴直插版本衰减器可提供固定的衰减，并具有各种插头和插孔配置，可用于众多连接器类型。   Crystek Corporation CATTEN-03R0-BNC 是一款 3dB、50 Ω、BNC 衰减器，带宽为 0 至 1GHz，额定功率为 2 瓦（图 12）。它是该公司产品线中 13 个衰减器型号之一，衰减能力为 1 至 20dB。  

  直插式衰减器显然是用来降低信号的功率电平的，但不太明显的是，它们也可用于在串联设备中提供阻抗隔离，以及减少阻抗失配和不必要的反射。   考虑在不匹配的负载阻抗前插入一个匹配的 3dB 衰减器。衰减器输入信号在传播到不匹配的负载时，会被衰减器降低 3dB。假设失配的是开路，那么整个信号会在负载处发生反射，并通过衰减器反弹回来，在衰减器输入端又遭受另外的 3dB 损失。所以衰减器输入端的回波损耗提高了 6dB。因此在衰减器输入端观察到的不匹配会被改善，改善量相当于衰减器值的两倍——在这种情况下，总的减少量为 6dB。   这种技术有一个缺点，就是通过信号的振幅会降低 3dB，必须在网络的其它地方进行补偿。Crystek CATTEN-03R0-BNC 在这种应用中表现良好。  

结语

在用同轴适配器连接仪器或其他设备时，设计人员和其他设备用户需要了解传输线路的基本知识。一旦了解了这些知识，用户就可以更好地利用这些非常有用的组件，让它们发挥更广泛的用处，包括改变连接器类型和特性阻抗、信号分支、滤波、浪涌保护、信号衰减以及直流控制和隔离。

  编辑：黄飞