专利名称：频率选择性低损耗传输线系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及优化的低损耗传输线系统。更具体地说，本发明涉及传输线系统和低损耗地连通一个阻抗的同轴电缆和另一个阻抗的装置的连接器。
背景技术：
通讯系统的通讯工业传输标准是50欧姆阻抗。然而，75欧姆同轴传输电缆比50欧姆同轴传输电缆具有更低的衰减特性和更高的运行频率，因此，使用75欧姆同轴传输电缆对于一些广播应用和CATV产业是个更好的选择。为了使用更高阻抗的传输线，广播系统会需要分开的匹配变换器以将阻抗变换回典型的50欧姆装置，且CATV系统需要75欧姆匹配连接器和放大器以集成75欧姆电缆到各自系统中。一个特定的应用为在移动电话PCS带中的通讯电缆的使用。在美国这一服务的频带是1850到1990兆赫。此频带涉及很高的频率，但没有高到足以调整波导或装载以降低衰减的塔架的成本。因此，需要在低生产和实施成本的情况下减少信号损耗的系统。
发明内容
本发明针对一种通讯系统，该通信系统包括同轴传输线上的信号和一个匹配连接器，该同轴传输线对给定频率的信号提供较低的衰减。此连接器包括一个整体的连接器变换器，具有优化的阻抗，用于通过接口配合一个低损耗电缆，如70欧姆同轴传输线，到50欧姆装置。此70欧姆同轴传输电缆典型地包括低密度泡沫和平滑空管中心导体。依照电缆的全直径可使用一个波纹管或固体导线。电缆的外导体典型地由为简化连接器安装和提供柔性设置的环形的波形铜管制造。外导体的其他设计如平滑的或螺旋形的波纹是可能的。此连接器包括进一步讨论的将连接器连接到电缆的装置。
在一个实施例中，此连接器包括一个整体四分之一波长变换器，设计用于期望的操作频率和通过提供电接触件将连接器连接到电缆导体的标准装置。在另一个实施例中，有一个串联四分之一波长开路内部短截线，其与整体变换器一起电容性地耦合到同轴传输线的空心导体。或者，颠倒短截线，用于带有连接器的空心导体的实心导体。在其它实施例中，有一个整体变换器和一串联四分之一波长开路外部短截线，该短截线电容性地耦合到同轴传输电缆的外导体。另外，有一个实施例，包括一串联四分之一波长开路短截线内导体，一串联四分之一波长外导体，和一个整体四分之一波长变换器。
该串联四分之一波长开路短截线导体和整体变换器的使用提供了附加的调谐以允许更宽的操作频带并仍具有一个小于1.02∶1的电压驻波比，即VSWR。
通过以下结合附图所作的说明本发明的其它特点和优点将变得明显图1是使用连接器耦合设计结合一个整体四分之一波长变换器的本发明的一个实施例的截面图；图2是本发明的一个实施例的截面图，显示一串联开路外部短截线；图3是本发明的一个实施例的截面图，显示了安置在同轴传输线的外导体内的一串联开路外部短截线；图4是本发明的一个实施例的截面图，显示了一串联开路内部短截线；图5是一串联开路内部短截线的另一个配置；图6是本发明的一个实施例的截面图，包括一串联开路外部和内部短截线；和图7是本发明的一个实施例的截面图，显示串联开路外部和内部短截线和外导体扼流圈。
具体实施例方式
现在，参考附图描述有代表性的第一实施例。频率选择性低损耗同轴电连接器100的截面图如图1所示。连接器100用于将具有第一阻抗的第一同轴传输线180连接到具有第二阻抗的电装置(未显示)。作为例子，第一同轴传输线180具有70欧姆的阻抗，且此电装置是具有50欧姆的通讯工业标准阻抗的第二同轴传输线。依据使用的结构和材料选择同轴传输线180的阻抗以便提供最小的衰减。请注意，第一同轴传输线180和电装置可以取与上面所述不同的阻抗值。
第一同轴传输线180典型地包括由介电常数为ε1的绝缘体184环绕的平滑空管心导体182A。绝缘体184由适当的电介质或任意材料与空气组合制成，电介质包括例如，固态聚乙烯，发泡聚乙烯，特氟纶(聚四氟乙烯)，氟化乙烯丙烯，发泡氟化乙烯丙烯。材料的选择和最后的发泡密度确定了介电常数，因而，确定了给定尺寸电缆提供最低衰减的阻抗。此电介质为维持电缆轴上的内导体提供支持。围绕着绝缘体184的是外导体186。外导体186典型地由环形波纹铜片制成以提供柔性且方便地连接标准连接器。围绕外导体186的是保护罩188。
第一同轴传输线180耦合到连接器100。连接器100包括基本上为圆柱形的本体200，具有隔开的第一端部210，第二端部220，和包括变换器部分700的伸长的中心部分230。请注意基本上为圆柱形的本体200是导电的。伸长的中心部分230安置在第一端部210和第二端部220之间，且具有轴向孔240穿过。另外，介电垫圈250具有介电常数ε2，并被固定在中心部分230的一端的轴向孔240中。由于具有第一同轴电缆180的绝缘体184，介电垫圈250由任一适合的电介质制成，例如包括，固态聚乙烯，发泡聚乙烯，特氟纶，氟化乙烯丙烯，发泡氟化乙烯丙烯。作为例子，介电垫圈250由固态特氟纶制成。垫圈250可以是也可以不是变换器部分700的部件。
在介电垫圈250中有一个金属构件300且在轴向孔240中同轴延展。金属构件300是连接器100的内导体，具有与圆柱状的本体200的第一和第二端部210和220对应的第一和第二端部310和320，和与圆柱状的本体200的中心部分230对应的中心部分330。在轴向孔240中，金属构件300被固定就位，并通过由介电垫圈250与圆柱状的本体200绝缘。第一端部210和310与第一同轴传输线180相适应(interfit)。
具体说来，圆柱状的本体200的第一端部210与外导体186通过夹持环590以金属对金属的电接触与外导体186匹配，且金属构件300的第一端部310的弹簧型接触件和中心导体182A以金属对金属的电接触方式匹配。有多种本领域中的标准装置以金属对金属的电接触方式连接电缆和连接器，将不再详细描述。
进一步，有一个耦合机构500，将同轴传输线180配合到圆柱状的本体200。请注意有多种本领域中的标准装置，以耦合电缆和连接器，在此将不对其描述。
第二端部220和320被成型为与电装置相适应或匹配。作为例子，第二端部220和320包括标准7-16DIN类型电缆接口以与电装置相适应。在另一个配置中，第二端部220和320包括标准N型电缆接口(未画出)。
中心部分230和330和介电垫圈250协同提供一个变换器阻抗，用于匹配第一同轴传输线180的第一阻抗和电装置的第二阻抗。为提供一个匹配阻抗，连接器100具有按以下等式1计算的特征阻抗。
Zchar=Zi·Zo]]>等式1其中Zchar是在连接器中变换器部分的特征阻抗，Zi是同轴传输线的阻抗；且Zo是电装置的阻抗。
换句话说，在负载阻抗，即电装置阻抗，和电源阻抗，即同轴传输线的阻抗复共轭时，传送最大功率。
对于第一个实施例，Zchar是连接器100的变换阻抗，Zi是第一同轴传输线180的阻抗，而Zo是电装置900的阻抗。
导电同轴本体的特征阻抗由等式2给定。
Zchar=138ϵ·log(Dd)]]>等式2其中D是外导体的内直径，d是内导体的外直径，且ε是在内导体和外导体之间的电介质的介电常数。
作为例子，中心部分330的内直径为D且中心部分230的外直径为d。围绕中心部分230的空气的介电常数为ε。应用等式2到中心部分230和330，且计入由介电垫圈250赋予的阻抗，提供了中心部分230和330的一些物理尺寸上的关系。例如，当用70欧姆同轴传输线和50欧姆电装置时，D基本上相当于第一同轴传输线180的外导体186的直径，导致金属构件300的中心部分330具有不同于中心导体182A的外直径d以使Zchar满足等式1。或者，中心部分230和330可有不同配置，只要他们各自尺寸满足等式1和2。
换句话说，中心部分230和330，和介电垫圈250包括匹配变换器部分700。如图1所示，匹配变换器部分700的部件，即中心部分230和330，和介电垫圈250与连接器100整体形成。
为使连接器100的信号损耗最小化，变换长度L包括中心部分230和330，和介电垫圈250具有依赖于在连接器100上携带的信号的频率的值。从电学的角度上讲，变换长度L的距离是从第一阻抗和匹配阻抗之间的第一阻抗过渡点A到匹配阻抗和第二阻抗之间第二阻抗过渡点B。对于图1所示实施例，第一阻抗过渡点A在第一同轴传输线180的邻接终端端部且第二阻抗过渡点B在介电垫圈250的相邻第二端部220和320的一侧。
作为例子，1920G赫兹信号需要1.014英寸的变换长度L，用固态聚乙烯充满变换长度的整个腔。作为对比，没有包括在空气中的一个四分之一波长的变换长度L中的介电垫圈250的连接器，对于1920G赫兹信号需要1.475英寸的长度。实际上，介电垫圈250的出现允许更短的变换长度L和因此更短的连接器。最终的垫圈长度或介电的百分比由机械的集成度和成本确定。
作为例子，四分之一波长变换器能为1850到1990兆赫兹的频带的信号提供大约1.02∶1的VSWR。VSWR是反射波的结果，且更低的VSWR比变换为带有不匹配阻抗的传输线或装置的连接而导致的不期望的信号反射的更低水平。请注意在另一个实施例中(未画出)，变换长度L能根据期望的带宽包括四分之一波长的整数倍数。
图2显示本发明的另一个实施例。关于图1所示的实施例，本实施例的不同点如下。代替与外导体186电接触的圆柱形的本体200的第一端部210(图1)，具有一个串联开路外部短截线212A，电容性地耦合到外导体186。电容性耦合由围绕电缆180的连接器100的圆柱形的本体200的第一端部210的较大的内直径建立。此腔优选地与电介质内层214A在一条线上以维持在串联开路外部短截线212A和外导体186之间的部件的适当的对齐并避免电接触。电介质内层214A由适当的介电材料如聚乙烯制成。
另外，本实施例包括弹性密封管510A，安置在电介质内层214A的末端。特别是，耦合机构500具有空内腔和沿着安置弹性密封管510A的空内腔的内表面的台阶。当连接器102与电缆180耦合时，即当耦合机构500关于圆柱形的本体200和电缆180被张紧时，弹性密封管510A被压缩。弹性密封管510A被压缩时，密封管510A变形，且突出进入外导体186的波纹。在这样的配置下，弹性密封管510A夹紧同轴传输线180的波状外导体186以保持其就位和提供湿气屏障。
本发明的另一个实施例如图3所示。本实施例关于如图2所示的实施例的不同如下。电容耦合由大于连接器103的开路外部短截线212B的外直径的同轴电缆180的外导体186的内直径建立。同图2描述的实施例相似，开路外部短截线212B优选地由电介质214B覆盖以维持适当的部件对齐。在本实施例中，圆柱形的本体200的外部本体基本上在空间上离开电缆外导体和串联开路外部短截线212B以建立四分之一波长扼流圈。在本实施例中，同轴传输线180的中心导体182B为固态且与金属构件300的中心部分332A电接触。
此短截线设计需要特殊的工具以在泡沫184切割该腔。这一工具的类型在CATV电缆连接器安装中是常见的。或者，在另一个实施例中，串联开路外部短截线212B被设计为将该腔切割到泡沫184中以减少对特殊工具的需要。
另外，具有导电部件520，安置在弹性密封管510B和连接器103的外部本体的末端之间。此导电部件520通过在电缆180的外导体186，圆柱形的本体200的外部表面，即连接器的外部本体之间建立电连接，提供了更有效的开路外部短截线212B。在此情况下，弹性密封管510B是导电的以提供到电缆180的电接触。
图4显示了本发明的另一个实施例。本实施例的连接器104与图1所示的实施例在以下方面不同。代替与中心导体182A电接触的金属部件300的第一端部310(图1)，具有串联开路内部短截线312A，电容性耦合到中心导体182A。在此实施例中，串联开路内部短截线312A的外直径小于中心导体182A中的空腔的内直径。优选地，具有适当材料如聚乙烯的电介质套管314A以维持串联开路内部短截线312A关于中心导体182A的合适的对齐且避免电接触。
或者，图5示出另一个实施例。本实施例不同于图1所示的实施例之处在于以下方面。在连接器105中，具有在金属部件300的中心部分330的串联开路内部短截线332B。此串联开路内部短截线332B具有空腔，在此空腔中安置一个同轴传输线180的内导体182B的突出的固体端部。空腔的内直径大于固体内导体182B的外直径。电介质内层324优选地安置在空腔的内表面上以维持部件的适当对齐和避免电接触。此设计可应用于由固体中心导体制成的更小的电缆。
图6图示了本发明的另一个实施例。关于图2所示的实施例，本实施例的不同之处在于以下方面。本实施例将图4所示内部电容性耦合配置与如图2所示外部电容性耦合配置结合。在连接器106中，当两个短截线被结合以维持正确的阻抗以在期望的带宽上与变换器部分700的电抗共轭时，两个短截线212C，312C的每一个的阻抗属性通常要被改变。
为阻止放射流和向外部短截线的外部的电流，本发明的又一个实施例如图7所示。本实施例不同于图6描述的实施例之处在于以下方面。具有外部扼流圈600，即一个短路短截线，放射状地围绕着串联开路外部短截线212D。优选地，扼流圈600是例如空气间隙的介电层，或介电套管，被安置在连接器107的圆柱形的本体100的第一端部210中。具有空气间隙的扼流圈600在物理上比四分之一波长介电负载短截线长。进一步，本实施例包括导电部件520和导电密封管510B。由于密封管510B安置在存在低电流的高阻抗位置，密封管510B的导电性不必高。在一个选择性实施例中，根据弹性密封管510B的导电性，弹性密封管510B可替换导电部件520。
在如图2-7所示的所有实施例中，串联开路短截线内导体和串联开路短截线外导体的长度电气上是一个四分之一波长。作为例子，如果如图4所示电介质内层214C和电介质套管314C由聚乙烯制成，在聚乙烯中的四分之一波长对于1920兆赫兹信号为1.014英寸长。在此配置中，内部短截线可提供小于10欧姆的阻抗且具有波状的外导体的外部短截线具有近似25欧姆的阻抗。由于导体和连接器建立的腔的容积是电介质和空气的组合以维持连接器的现场安装的滑动配合的需求，短截线的确切物理长度通常由测试确定。
本发明的电缆具有在用于电缆的材料的技术发展水平下的低损耗率，该材料如密度低于0.18g/cm的发泡聚乙烯被使用以实现本发明。如图2-7所示，至少一个串联开路短截线导体的使用使在使用仅一个简单四分之一波长变换器的连接器上带宽特性得以改进(图1)。例如，本发明的图6所示串联开路短截线和整体的变换器允许用更大的带宽覆盖具有小于1.02∶1的VSWR的1700到2300兆赫的世界范围的PCS带。另一方面，没有串联开路短截线的连接器，即图1所示实施例，覆盖了具有约1.02∶1的VSWR的1850到1990兆赫的频率带。
物理上讲，串联开路短截线导体的引入通过允许更低精确的同轴传输电缆的切割和更少的临界扭矩需求以安装连接器来允许简化连接器的安装。通过电介质套管的使用与非金属连接器接触件的使用允许连接器可被徒手紧固。进一步，电容型耦合内导体和外导体从最可能的源减少了所有被动互调(PIM)，同时消除了连接器最昂贵和复杂的部分。
在使用中，连接器仅需要徒手紧固以适当地将同轴传输线连接到连接器，因为开路短截线的使用减少了用于同轴传输线和连接器之间的精确电金属对金属接触的需要。
按照上面的作为解释而不是限制的实施例描述了本发明，且本发明因此将被扩大解释。本发明所依据的原则也可应用到其他感兴趣的频带。
可以预料，在不背离以下权利要求所限定的精神和范围的情况下，可以对本发明进行多种修改。
权利要求
1.一种同轴电连接器，用于匹配具有中心导体和外导体的第一阻抗的同轴传输线和第二阻抗的电装置，所述连接器包括基本呈圆柱形的外导体，具有隔开的第一和第二端部，和所述端部之间的伸长的中心部分，所述圆柱形的外导体具有贯通的轴向孔；介电绝缘体，固定在所述所述中心部分的孔中；耦合机构，匹配所述第一同轴传输线到所述基本呈圆柱形的外导体；和内导体，在所述绝缘体中且在所述孔中同轴伸展，所述内导体具有对应于所述圆柱形的外导体的所述第一和第二端部的第一和第二端部和对应于所述圆柱形的外导体的所述中心部分的中心部分，所述第一端部与所述同轴传输线相适应，从而所述内导体的所述第一端部与所述中心导体匹配，且所述圆柱形的外导体的所述第一端部与所述外导体匹配，且所述第二端部可与所述电装置匹配，其中基本呈圆柱形的外导体、内导体、和介电绝缘体协同提供一个变换阻抗，用于匹配第一和第二阻抗，且其中所述中心部分的变换长度包括由在第一阻抗和变换器阻抗之间的第一阻抗过渡点到在变换器阻抗和第二阻抗之间的第二阻抗过渡点的距离。
2.如权利要求1的同轴电连接器，其中介电绝缘体包括介电垫圈和由同轴传输线的临接终端到介电绝缘体的邻近第二部分的一端的变换距离。
3.如权利要求1的同轴电连接器，其中所述中心部分的变换长度基本上相当于连接器中信号的四分之一波长的整数倍数。
4.如权利要求1的同轴电连接器，其中所述中心部分的变换长度基本上相当于连接器中信号的四分之一波长。
5.如权利要求1的同轴电连接器，其中预定所述中心部分的变换长度以使对于1850到1990兆赫兹的频带中的信号在所述中心部分的可变驻波比最小化到约1.02∶1。
6.如权利要求1的同轴电连接器，其中所述内导体和圆柱形的外导体的所述第一端部的至少一个分别电容性地耦合到中心导体和同轴传输线的外导体。
7.如权利要求1的同轴电连接器，其中所述连接器还包括将串联开路内部短截线电容性耦合到同轴传输线的中心导体的内部电介质和将串联开路外部短截线电容性耦合到同轴传输线的外导体的外部电介质的至少其中之一。
8.如权利要求7的同轴电连接器，其中所述连接器包括将所述串联开路外部短截线电容性耦合到同轴传输线的所述外导体的所述外部电介质，且还包括外部连接器本体，其中介电层安置在所述串联开路外部短截线和所述外部连接器本体之间。
9.如权利要求7的同轴电连接器，其中所述连接器包括所述串联开路内部短截线，所述串联开路外部短截线，所述内部电介质，和所述外部电介质。
10.如权利要求9的同轴电连接器，其中还包括外部连接器本体，其中介电层安置在所述串联开路外部短截线和所述外部连接器本体之间。
11.如权利要求7的同轴电连接器，其中所述中心部分的变换长度是预定的以使对于1700到2300兆赫兹的频带中的信号在所述中心部分中的电压驻波比最小化。
12.如权利要求1的同轴电连接器，其中第二部分包括标准N型接口和标准DIN-7-16型接口其中之一。
13.一种同轴电连接器，用于匹配具有中心导体和外导体的第一阻抗的同轴传输线和第二阻抗的电装置，所述连接器包括基本呈圆柱形的外导体，具有隔开的第一和第二端部，和所述端部之间的伸长的中心部分，所述圆柱形的外导体具有贯通的轴向孔；耦合机构，匹配所述第一同轴传输线到所述基本呈圆柱形的外导体；介电绝缘体，固定在所述中心部分的所述孔中；和内导体，在所述绝缘体中且在所述孔中同轴伸展，所述内导体具有对应于所述圆柱形的外导体的所述第一和第二端部的第一和第二端部和对应于所述圆柱形的外导体的所述中心部分的中心部分，所述第一端部与同轴传输线相适应，从而所述内导体的所述第一端部与中心导体匹配，且所述圆柱形的外导体的所述第一端部与外导体匹配，且是N型电缆接口和DIN-7-16型电缆接口其中之一的所述第二端部与电装置匹配，其中基本呈圆柱形的外导体、内导体、和介电绝缘体协同提供变换器阻抗，用于匹配第一和第二阻抗，且其中所述中心部分的变换长度包括由在第一阻抗和变换器阻抗之间的第一阻抗过渡点到在变换器阻抗和第二阻抗之间的第二阻抗过渡点的距离，所述变换长度基本上相当于连接器中信号的四分之一波长的整数倍数。
14.如权利要求13的同轴电连接器，其中介电绝缘体包括介电垫圈，并且变换距离是从同轴传输线的临接终端端部到介电垫圈的邻接第二端部的一端。
15.如权利要求13的同轴电连接器，其中所述内导体和圆柱形的外导体的所述第一端部的至少一个分别电容性耦合到中心导体和同轴传输线的外导体。
16.如权利要求13的同轴连接器，其中所述连接器还包括将串联开路内部短截线电容性耦合到同轴传输线的中心导体的内部电介质和将串联开路外部短截线电容性耦合到同轴传输线外导体的外部电介质至少其中之一。
17.如权利要求16的同轴电连接器，其中所述连接器包括所述串联开路内部短截线，所述串联开路外部短截线，所述内部电介质，和所述外部电介质。
18.一种同轴电连接器，用于匹配第一阻抗的同轴传输线和第二阻抗的电装置，所述连接器包括第一连接部分，包括用于分别和同轴传输线的中心和外导体电耦合的第一内导体和第一外导体；第二连接部分，包括第二内导体和第二外导体，用于与电装置电耦合；绝缘装置，用于电隔离所述第二内导体和所述第二外导体；和变换器装置，同轴安置于所述第一连接部分和所述第二连接部分之间，且与其电耦合用于提供第一阻抗和第二阻抗之间的匹配阻抗。
19.如权利要求18的同轴连接器，其中所述变换器装置包括使所述变换器装置中的可变驻波比最小化的长度。
20.如权利要求19的同轴连接器，其中同轴连接器还包括如下装置中的至少一个第一电容性耦合装置，用于将所述第一内导体电容性耦合到同轴传输线的中心导体；和第二电容性耦合装置，用于将所述第一外导体电容性耦合到同轴传输线的外导体。
21.如权利要求20的同轴连接器，其中所述连接器还包括传输线耦合装置，用于将同轴传输线耦合到所述连接器。
22.如权利要求21的同轴连接器，其中所述第二连接部分包括接口装置，用于将所述连接器耦合到电装置。
23.一种用于连通和调节信号的系统，所述系统包括具有中心导体和外导体的第一阻抗的同轴传输线；第二阻抗的电装置；和同轴电连接器，包括基本呈圆柱形的外导体，具有隔开的第一和第二端部，和所述端部之间的伸长的中心部分，所述圆柱形的外导体具有贯通的轴向孔；耦合机构，匹配所述第一同轴传输线到所述基本呈圆柱形的外导体；介电绝缘体，固定在所述中心部分的所述孔中；和内导体，在所述绝缘体中且在所述孔中同轴延伸，所述内导体具有对应于所述圆柱形的外导体的所述第一和第二端部的第一和第二端部和对应于所述圆柱形的外导体的所述中心部分的中心部分，所述第一端部与同轴传输线相适应，从而所述内导体的所述第一端部与同轴传输线的中心导体匹配，且所述圆柱形的外导体的所述第一端部与同轴传输线的外导体匹配，且所述第二端部成型为包括N型和DIN-7-16型接口其中之一，用于连通电装置，其中基本呈圆柱形的外导体、内导体、和介电绝缘体协同提供变换器阻抗，用于匹配第一和第二阻抗，且其中所述中心部分的变换长度包括由在第一阻抗和第一变换器阻抗之间的第一阻抗过渡点到在变换器阻抗和第二阻抗之间的第二阻抗过渡点的距离。
24.如权利要求23的系统，其中所述同轴传输线的所述外导体包括波纹形状且所述同轴传输线的所述中心导体包括空管。
25.如权利要求23的系统，其中所述电装置包括装置传输线，用于连通连接器和电装置，装置传输线具有第二阻抗。
全文摘要
一种用于使用一个阻抗的同轴电缆将信号连通到不同阻抗的装置的频率选择性低损耗传输系统。具有匹配变换器的连接器与带有标准接口的连接器整体形成。本发明还包括耦合机构，以耦合同轴电缆和连接器。本发明还包括用于电容型耦合到同轴电缆的导体的串联开路短截线导体。除了在宽频率范围的低损耗，由于串联开路短截线导体的原因该连接器便于连接器安装，同时也减少同轴电缆和连接器的成本和复杂性。
文档编号H01R13/646GK1574499SQ20041003833
公开日2005年2月2日 申请日期2004年5月19日 优先权日2003年6月19日
发明者詹姆斯·W·纳尔逊 申请人:射频系统公司