射频同轴连接器功率的计算与设计
连接器几乎都是非线性的阶梯跃变结构,要解决功率修正的问题,首先需要了解几个定义和影响因素。
定义:
1. 发射功率:发射功率分为脉冲功率和平均功率。
射频连接器在传输大功率时,会承受较高的电压,同时还有大电流通过。因此,连接器允许传输的射频功率会受到电压击穿及电流发热的限制。前者取决于传输的脉冲峰值功率,后者取决于传输的平均功率。综合来说,就是解决介质耐击穿强度的问题。
2. 占空比:在一段连续工作时间内脉冲占用的时间与该周期时间的比值(t / T)。例:脉冲宽度1μs,脉冲周期4μs的脉冲信号,其占空比为25%.
图1 占空比示意图
Pav 平均功率 Pt 脉冲功率
脉冲宽度越宽,占空比越大,对连接器及系统的耐功率要求越高。
影响因素:
1. 结构尺寸:尺寸越大,插入损耗越小,功率容量越大
2. 电压驻波比:反射越小,导体发热量越小
主要来源于连接器与电缆连接处或其它终端连接处产生的反射,造成能量的损失,可用公式进行计算:
Umax最大允许电压 Uin 入射电压
CV 电压驻波比系数
3. 环境温度:按照同轴线传输理论,其系数与电缆修正系数一样,如图2所示
图2 温度因数
4. 海拔高度:当射频同轴连接器处于高海拔时,空气稀薄,表面散热困难,因此功率也随之降额。对应的修正系数见图3、4
图3
图4
5. 工作频率:额定功率随着频率的升高而下降,在常温条件下可承受的最大功率,可以用击穿功率计算公式:
单位:瓦
Pc击穿功率,
绝缘介质介电常数,
D外导体内径,
d 内导体外径,
Emax 绝缘介质最大击穿强度(PTFE=285V/3.2mm、PEI=830V/3.2mm、PEEK=480V/3.2mm)
综合所述,连接器的最终平均功率计算如下:
PR参考功,CF频率系数,CT温度系数,CV驻波系数,CA高度系数
可下载附件《Power handling Calculator》快速计算。
注:连接器的额定功率计算非常复杂,且在设计连接器内部结构时,为了兼顾机械、电气等因素,会在内部形成不同的台阶进行阶梯式的过渡,即非线性的结构,当计算时需要知道其内部介质支撑最薄弱的结构尺寸及其材质。通常会通过电磁热仿真分析,得到更接近于实际需求的数据。
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