射頻開(kāi)關(guān)設(shè)計(jì)和選擇合適的開(kāi)關(guān)

本文旨在介紹射頻開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)的一些基本參數(shù)，例如插損、駐波、特征阻抗，和上升時(shí)間等；此外，射頻開(kāi)關(guān)的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，包括如何根據(jù)應(yīng)用選擇正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。提高其利用性能等；最后，關(guān)于部分開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，例如線(xiàn)纜、連接器。

一、開(kāi)關(guān)的關(guān)鍵指標(biāo)

↑

許多的射頻開(kāi)關(guān)廠(chǎng)商用兩個(gè)主要的參數(shù)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和帶寬來(lái)描述它們的產(chǎn)品。雖然這些規(guī)格在評(píng)估階段的確是很重要的，但是它們不能為買(mǎi)方提供足夠的信息來(lái)支撐決策。首先就看一下購(gòu)買(mǎi)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)必不可少的一些參數(shù)：

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特征阻抗

特征阻抗是傳輸線(xiàn)的參數(shù)，它由傳輸線(xiàn)的物理結(jié)構(gòu)決定，當(dāng)然，信號(hào)在傳輸線(xiàn)上如何傳輸或反射也有一定的影響。射頻器件的阻抗不是DC阻抗，在傳輸線(xiàn)理論中（圖：傳輸線(xiàn)的特征阻抗），可以使用下面的公式進(jìn)行計(jì)算：

Z0表示特征阻抗，L表示電流通過(guò)導(dǎo)線(xiàn)時(shí)在導(dǎo)線(xiàn)周?chē)纬傻拇艌?chǎng)引起的RF傳輸線(xiàn)的每單位長(zhǎng)度的電感，C表示射頻傳輸線(xiàn)單位長(zhǎng)度的電容（也是存在于兩個(gè)導(dǎo)體之間的電容），R表示射頻傳輸線(xiàn)的每一單位DC阻抗，G表示單位長(zhǎng)度的介質(zhì)電導(dǎo)，ω表示頻率（radians/s）。

理想的電纜沒(méi)有阻抗或電介質(zhì)泄露，它的特征阻抗可以通過(guò)右式計(jì)算：

50Ω的射頻系統(tǒng)構(gòu)成了射頻市場(chǎng)的大部分，包括大多數(shù)通信系統(tǒng)。75Ω的射頻系統(tǒng)數(shù)量較少，主要應(yīng)用在廣電等視訊射頻系統(tǒng)。總之，工程師應(yīng)該首先確保測(cè)試系統(tǒng)中部件和電纜連接器等是阻抗匹配的。

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插損

如果傳播通過(guò)的傳輸線(xiàn)的長(zhǎng)度大于其自身波長(zhǎng)的1%，則在信號(hào)中會(huì)出現(xiàn)顯著的功率損耗。開(kāi)關(guān)模塊的插損是測(cè)量功率損失和信號(hào)衰減。特定頻率下開(kāi)關(guān)的插損可以使用在該頻率開(kāi)關(guān)所引起的功率損失（1式）/電壓衰減（2式）來(lái)表示：

我們可以把開(kāi)關(guān)或繼電器看成一個(gè)低通濾波器。生活中的每個(gè)開(kāi)關(guān)都有一特定的電容，電感，電阻和電導(dǎo)，這些寄生元件組合以衰減和降低開(kāi)關(guān)路由的信號(hào)。這些組件引起的功率損耗和電壓衰減隨輸入信號(hào)的頻率而變化，并且可以通過(guò)開(kāi)關(guān)模塊在該頻率處的插入損耗規(guī)格進(jìn)行量化。（插損大小對(duì)開(kāi)關(guān)路由信號(hào)的影響如下圖所示，案例略）

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電壓駐波比（駐波比）

就像聲波、光波等，當(dāng)信號(hào)在不同介質(zhì)之間（例如不匹配阻抗的器件）傳播會(huì)發(fā)生反射。在一個(gè)開(kāi)關(guān)模塊中，這種不匹配可能是連接器和PCB跡線(xiàn)之間的特征阻抗，以及實(shí)際的繼電器本身……

由于駐波比測(cè)量反射波的功率，它常常也用來(lái)衡量傳輸線(xiàn)的功率損耗。根據(jù)其自身相位，輸入信號(hào)可能會(huì)與反射波相加減。這取決于反射波相對(duì)于輸入信號(hào)是同相還是反相，同相時(shí)取到最大值，反相時(shí)取到最小值。下面通過(guò)一個(gè)例子來(lái)說(shuō)明該指標(biāo)：

在上圖所示（1Vpp正弦波引起的衰減比較）的電路中，負(fù)載阻抗為（40.5Ω）不等于信號(hào)源和傳輸線(xiàn)的阻抗（50Ω）。因此，通過(guò)傳輸線(xiàn)傳輸?shù)牟糠中盘?hào)會(huì)從負(fù)載端反射回來(lái)。我們可以根據(jù)下列公式測(cè)量反射：

最終簡(jiǎn)化計(jì)算結(jié)果就是：

(1+0.1)/(1-0.1)=1.22

為了更形象的理解這個(gè)例子，如下圖所示，在射頻系統(tǒng)中，信號(hào)源發(fā)生1Vpp的正弦波信號(hào)。由于系統(tǒng)的反射系數(shù)為0.1，我們可以大致知道反射的幅度值，大致為0.1×1=0.1V或者說(shuō)100mV。下圖展示了當(dāng)反射波分別于輸入信號(hào)同相和反相時(shí)合成信號(hào)的最大和最小幅度。同理，通過(guò)下圖最大及最小電壓駐波亦可求得駐波比。

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帶寬

帶寬也是開(kāi)關(guān)模塊的一個(gè)非常重要的參數(shù)。然而，帶寬能提供的是非常近似的性能，而且射頻開(kāi)關(guān)在開(kāi)關(guān)的帶寬規(guī)范上各供應(yīng)商之間較不同。開(kāi)關(guān)的帶寬簡(jiǎn)單的表示在可接受的損耗條件下該開(kāi)關(guān)可以比較可信地路由信號(hào)的最大頻率。

產(chǎn)品的帶寬通常也就是指其中頻帶寬（-3dB帶寬）。這種觀(guān)點(diǎn)對(duì)于諸如數(shù)字轉(zhuǎn)換器之類(lèi)的儀器是精確的，其中設(shè)備的單款規(guī)格實(shí)際上是儀器的模擬前端的-3dB點(diǎn)。然而對(duì)于開(kāi)關(guān)，有時(shí)帶寬選擇-3dB帶寬并不準(zhǔn)確。（廠(chǎng)商的帶寬標(biāo)定是否是按-3dB標(biāo)定，對(duì)其價(jià)格和性能會(huì)有較大影響。）

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隔離和串?dāng)_

↑

隔離定義的是通過(guò)開(kāi)路耦合到的信號(hào)，串?dāng)_定義的是線(xiàn)路之間例如射頻模塊上不同部分的復(fù)用器之間。

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上升時(shí)間

如果信號(hào)是純正弦波，開(kāi)關(guān)模塊的帶寬/插損參數(shù)就足夠決定該產(chǎn)品是否適合應(yīng)用。然而，對(duì)于有多個(gè)頻率分量的信號(hào)，例如方波，就不是那么簡(jiǎn)單，因?yàn)楸３诌@樣的信號(hào)的完整性取決于開(kāi)關(guān)對(duì)信號(hào)上升的時(shí)間。

展示了方波的五次諧波測(cè)量。假設(shè)方波的最高次諧波需要通過(guò)開(kāi)關(guān)路由。什么樣的開(kāi)關(guān)能夠成功的路由這樣的信號(hào)？我們需要比較開(kāi)關(guān)的上升時(shí)間和諧波的上升時(shí)間。如果遇到廠(chǎng)商并沒(méi)有提供上升時(shí)間，我們需要計(jì)算諧波的-3dB點(diǎn)，并且需要測(cè)量開(kāi)關(guān)的-3dB點(diǎn)。通過(guò)下述公式進(jìn)行（對(duì)于上圖所示的信號(hào)，我們計(jì)算達(dá)到-3dB的頻率為6.36Hz(上升時(shí)間僅為0.055s)。因此出入損耗在6.36Hz或更高時(shí)小于3dB的開(kāi)關(guān)將足以路由該方波。）：

其中τR就代表開(kāi)關(guān)模塊的上升時(shí)間。

二、射頻開(kāi)關(guān)拓?fù)?/p>

1

兩種主要的開(kāi)關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

射頻開(kāi)關(guān)有兩種主要的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)：多路復(fù)用器和通用繼電器。通過(guò)這兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就能構(gòu)建出大量復(fù)雜的開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)。

通用繼電器模塊通常由C型（SPDT）繼電器組成，通常用于在兩個(gè)位置之間路由信號(hào)。例如，一個(gè)信號(hào)需要用射頻分析儀進(jìn)行分析，并且接下來(lái)通過(guò)發(fā)送天線(xiàn)以廣播的形式發(fā)出。這種情況通常選用一個(gè)單刀雙擲繼電器實(shí)現(xiàn)。

多路復(fù)用器是一種路由多端輸入到單輸出或相反的設(shè)備。多路復(fù)用器通常用于增加復(fù)雜、昂貴的儀器（如分析儀、發(fā)生器等等）通道數(shù)的理想選擇。

假設(shè)對(duì)設(shè)備進(jìn)行100為一批次的測(cè)試，對(duì)此有以下方案？

A．使用RF分析儀用于每個(gè)設(shè)備獨(dú)立測(cè)試，這將需要100個(gè)RF分析儀。（費(fèi)錢(qián)）

B．手動(dòng)將1批次/100個(gè)設(shè)備每次一個(gè)連接到單個(gè)RF分析儀。（費(fèi)時(shí)）

C．通過(guò)多路復(fù)用的形式采用100×1的復(fù)用器開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，自動(dòng)路由100個(gè)手機(jī)到RF分析儀進(jìn)行測(cè)量，并使用軟件以適當(dāng)?shù)姆绞酱鎯?chǔ)。（最佳方案）

一般來(lái)說(shuō)，多路復(fù)用器可以通過(guò)多個(gè)SPDT繼電器構(gòu)建。通常多路復(fù)用器具有更高的插入損耗，因?yàn)槎嗦窂?fù)用器的插入損耗包含各個(gè)SPDT繼電器的插入損耗以及路由的PCB跡線(xiàn)的插入損耗之和以及這些SPDT繼電器之間的信號(hào)。

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測(cè)量應(yīng)用中，一種均勻拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

信號(hào)路徑越間接（即中繼越多），傳輸線(xiàn)中的插入損耗越大。這個(gè)概念不僅適用 于每一個(gè)開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)于射頻系統(tǒng)的每個(gè)器件也是如此。因此，為了最小化系統(tǒng)的插損值，開(kāi)關(guān)網(wǎng)絡(luò)必須盡可能的縮短信號(hào)路徑，減少/移除線(xiàn)路上的不必要器件。（下圖，信號(hào)路徑上增加器件引起插損的增加）

例如級(jí)聯(lián)方案（級(jí)聯(lián)兩個(gè)4×1復(fù)用模型，構(gòu)建7×1復(fù)用器開(kāi)關(guān)）：這個(gè)設(shè)計(jì)最大的缺點(diǎn)可能使信號(hào)路徑長(zhǎng)度隨信道不同有很大差異。這種差異體現(xiàn)在駐波、插損等各方面上。實(shí)測(cè)DUT1的反射遠(yuǎn)大于DUT7。現(xiàn)實(shí)測(cè)試中，通常需要所有DUT上相同的性能。

固有的8×1模塊拓?fù)洌@這種方法使用固有8×1模塊從7個(gè)待測(cè)設(shè)備上路由信號(hào)。因?yàn)檎麄€(gè)系統(tǒng)都是在一個(gè)模塊內(nèi)部，外部電纜和附加連接器的使用滿(mǎn)足最小化。此外，源自DUT1和DUT7的信號(hào)將具有完全相同的路徑長(zhǎng)度。因此，對(duì)于這種設(shè)置，插損和反射信號(hào)都是最小的。但是，大型多路復(fù)用器網(wǎng)絡(luò)開(kāi)關(guān)很難找到現(xiàn)成的。

使用SPDT繼電器構(gòu)建7×1多路復(fù)用。雖然這種方法構(gòu)造的7×1多路復(fù)用器的方法不如使用固有的8×1多路復(fù)用器那樣有效，但它遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于方法1中構(gòu)建的系統(tǒng)。因?yàn)樗褂盟腟PDT模塊，以將信號(hào)從兩個(gè)4×1多路復(fù)用器路由到RF信號(hào)分析儀。通過(guò)這樣做，交換機(jī)網(wǎng)絡(luò)允許7×1多路復(fù)用器的每個(gè)通道路徑等長(zhǎng)。因此，盡管信號(hào)反射和插入損耗將高于方法2中的系統(tǒng)，但是對(duì)于所有信道而言它是均勻的。

三、射頻開(kāi)關(guān)的應(yīng)用與連接

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電纜

大部分的射頻系統(tǒng)使用同軸線(xiàn)進(jìn)行信號(hào)傳輸。同軸線(xiàn)三個(gè)主要的部分包括：中心導(dǎo)體、外屏蔽層、通過(guò)放置中心導(dǎo)體和外殼之間電流耗散而用作電絕緣體的電介質(zhì)。

因?yàn)橥S電纜在其內(nèi)部（下圖中的內(nèi)導(dǎo)體）包含傳播的電磁信號(hào)，因?yàn)樗鼈儾粫?huì)輻射噪聲，并且不易可能在附近殘留的其他信號(hào)。有可能影響系統(tǒng)性能的同軸電纜的幾個(gè)屬性。包括電纜衰減，截止頻率和特征阻抗。

2

電纜衰減

電纜將對(duì)其路由的信號(hào)施加的總衰減取決于其導(dǎo)電和介電損耗，也稱(chēng)為“電阻損耗”或“歐姆損耗”的它又取決于：

a.用于制造同軸電纜的金屬，通常，選高導(dǎo)電性的銅或銀

b.電纜中心和外導(dǎo)體的直徑

減小RF系統(tǒng)中的導(dǎo)電損耗的一種方式是使用具有較大直徑的電纜。較大的電纜包含更多的金屬用于傳導(dǎo)電流，因此每單位長(zhǎng)度的衰減比較小。

同樣值得注意的是，由電纜引入的導(dǎo)電損耗的量取決于其路由的信號(hào)頻率。隨頻率增加，電流密度傾向于集中在內(nèi)部導(dǎo)體的外表和外部導(dǎo)體的內(nèi)表面附近（稱(chēng)為“趨膚效應(yīng)”）。這使得任何電纜中的導(dǎo)電損耗以相關(guān)信號(hào)的頻率的平方根成正比增長(zhǎng)。

除了導(dǎo)電損耗之外，電力也在電纜的電介質(zhì)（中心和外部導(dǎo)體之間的材料）中耗散。這種類(lèi)型的功率損耗被稱(chēng)為“介電損耗”。對(duì)于同軸電纜，介電損耗線(xiàn)性地取決于頻率，并且與在電纜的中心和外部導(dǎo)體之間使用的材料的介電常數(shù)（或介電常數(shù)）的平方根成比例。

電纜中的導(dǎo)電損耗和介電損耗的組合通常被稱(chēng)為其“衰減因子”，其通常以單位電纜長(zhǎng)度的dB表示。衰減系數(shù)的值通常列在電纜制造商的數(shù)據(jù)表中。具有較大直徑的電纜通常表現(xiàn)出較低的損耗，并且能夠傳輸比較小的功率電平更高的功率電平。

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截止頻率 特征阻抗

截止頻率是線(xiàn)纜可用的最大頻率。高于其截止頻率，通過(guò)其信號(hào)的質(zhì)量會(huì)顯著的劣化。電纜的截止頻率與其直徑成反比。因此，更小的電纜比更大的電纜能操作更高的頻率。然而，出于所有實(shí)際目的，具有0.5‘’直徑或更大直徑的電纜具有遠(yuǎn)高于10GHz的截止頻率。因此，大部分開(kāi)關(guān)系統(tǒng)，對(duì)截止頻率的關(guān)心比對(duì)線(xiàn)纜衰減的關(guān)心要小。

為了確保射頻系統(tǒng)中從信號(hào)源到負(fù)載的功率最大限度的被接收，線(xiàn)纜的特征阻抗應(yīng)該匹配源和負(fù)載端。大部分RF開(kāi)關(guān)設(shè)備的特征阻抗不是50Ω就是75Ω （分別用于通信和視頻應(yīng)用），RF電纜通常也為這兩個(gè)阻抗。電纜的特性基于其單位長(zhǎng)度電阻、電導(dǎo)、電容和電感，其又取決于電纜的物理尺寸以及用于分離兩個(gè)導(dǎo)體的電介質(zhì)。

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做工

所用材料的結(jié)構(gòu)和質(zhì)量自然會(huì)影響電纜的性能。更好的材料質(zhì)量將對(duì)電纜的傳輸性能有一定的提升，但它也會(huì)更昂貴。所有的同軸電纜均采用實(shí)心或絞合中心導(dǎo)體制造。這兩種變體都有自己的優(yōu)點(diǎn)合缺點(diǎn)。

絞合中心導(dǎo)體使線(xiàn)纜柔性好，由于電纜和連接器上的較低應(yīng)力，它將持續(xù)更長(zhǎng)時(shí)間。

具有實(shí)心中心導(dǎo)體的電纜通常制造成本更低，并且與單股電纜相比，每單位長(zhǎng)度衰減更低。

除了中心導(dǎo)體的構(gòu)造之外，外導(dǎo)體上的絕緣材料或缺少它也會(huì)影響電纜中的損耗。例如，具有實(shí)心絕緣外屏蔽的半剛性電纜類(lèi)型通常具有所有電纜類(lèi)型的最佳隔離規(guī)格。由于這種高隔離度，半剛性電纜是在噪聲環(huán)境中傳輸RF信號(hào)的理想選擇。

同于構(gòu)造電纜的材料還決定其最小和最大工作溫度。一些電纜類(lèi)型設(shè)計(jì)為在戶(hù)外或埋藏，而其他不是。在設(shè)計(jì)測(cè)試系統(tǒng)時(shí)應(yīng)當(dāng)小心，確保系統(tǒng)中使用的電纜能夠承受其操作環(huán)境。

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線(xiàn)纜類(lèi)型半剛性電纜設(shè)計(jì)用于高性能應(yīng)用（某些電纜超過(guò)100GHz），其中安裝是永久性的，安裝后電纜幾乎不移動(dòng)。

這種電纜適用于15GHz以上應(yīng)用，編織結(jié)構(gòu)提升了電纜的柔性。一旦彎折完畢，它將無(wú)限期的保持這個(gè)形狀。這種電纜可以較少次數(shù)的彎曲成不同的形狀，不會(huì)損壞。

柔性線(xiàn)纜有很多分類(lèi)專(zhuān)業(yè)類(lèi)型設(shè)計(jì)如低損耗、高功率、或額外的靈活性。柔性線(xiàn)纜的隔離性能通常變化很大，取決于外屏蔽導(dǎo)體的覆蓋范圍。

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線(xiàn)纜終端（連接器）

線(xiàn)纜終端連接原始同軸線(xiàn)到DUT或測(cè)試系統(tǒng)。終端在質(zhì)量和成本上都可能存在很大差異。類(lèi)似于線(xiàn)纜的選擇，特定應(yīng)用通常將確定哪個(gè)連接器是最合適的。將連接器連接到電纜有兩種主要方法。給定合適的工具，兩者可以手工組裝。大多數(shù)制造商為它們銷(xiāo)售的連接器提供裝配說(shuō)明。

焊接型連接器及處理工藝通過(guò)焊接將電纜的外屏蔽層鏈接到連接器的外金屬件。這種類(lèi)型的連接器設(shè)計(jì)為半剛性或適應(yīng)性的電纜使用。當(dāng)時(shí)用焊接型連接器時(shí)，要確保整個(gè)連接器主體周?chē)辛己玫暮改_。焊接連接通常比壓接連接更牢固。

壓接型連接器及處理工藝通過(guò)兩者之間壓縮連接將屏蔽和連接器主體固定在一起。此連接器類(lèi)型最適合與柔性電纜一起使用。連接器通常具有兩個(gè)部件，連接器本體和壓接套管。在組裝期間，電纜屏蔽件放置在兩個(gè)部件之間，然后壓接套筒圍繞連接器本體變形。為了在使用這種類(lèi)型的連接時(shí)獲得最佳性能，壓接接頭應(yīng)均勻，并使用制造商建議的壓接工具制造。

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連接器類(lèi)型

N型連接器具有堅(jiān)固、高功率容量的特點(diǎn)，它的最大頻率為11GHz，是較大的RF連接器之一。N型連接器采用可手動(dòng)擰緊的螺紋接口。還提供75Ω版本的連接器，但是兩個(gè)版本的連接器不兼容，如果75歐姆N型連接器連接到50Ω設(shè)備，則可能損壞75Ω連接器。大多數(shù)N型連接器設(shè)計(jì)適用于僅使用柔性同軸線(xiàn)纜的應(yīng)用，對(duì)于一些具有靈活性的實(shí)心外導(dǎo)體的特殊電纜一樣可設(shè)計(jì)為N型頭。

SMA連接器對(duì)于射頻射頻來(lái)說(shuō)是非常普遍使用的一種連接器，大多數(shù)RF廠(chǎng)商都會(huì)提供這種類(lèi)型的連接。SMA連接器小于N型連接器，以前通常具有18GHz的較高頻率限制，一些制造商提供的SMA v2.9連接器可以支持40 GHz頻率，就像N型連接器，SMA也是螺紋口，但必須使用扭矩扳手?jǐn)Q緊，以獲得最佳性能。SMA連接器僅用于50Ω的RF系統(tǒng)。它廣泛的應(yīng)用于半剛、半柔半剛、柔性纜。

SMB連接器使用按壓接口（連接器通過(guò)將它們壓在一起，通常與某種保持機(jī)制配合），允許更快地連接和斷開(kāi)。完全嚙合時(shí)，連接器將卡扣在一起。SMB連接器的尺寸略小于SMA的尺寸。然而，這種連接器既不堅(jiān)固也不精確，因此其頻率范圍僅限于4 GHz。SMB連接器可用于半剛型、適形型和柔性纜組件。標(biāo)準(zhǔn)SMB連接器僅針對(duì)50ΩRF應(yīng)用設(shè)計(jì)。雖然存在75Ω SMB接口，但它的大小與50Ω SMB連接器不同。SMB連接不如SMA使用廣泛。

BNC連接器時(shí)最古老的RF連接器之一，仍然廣泛應(yīng)用與頻率為4GHz以下的應(yīng)用。像SMB連接器一樣，BNC連接器相對(duì)快速的連接和斷開(kāi)，并且利用卡口接線(xiàn)片用于電纜保持。電纜扭曲約1/4圈，知道卡口式凸耳將兩半固定在一起。BNC連接器可用于幾乎每種類(lèi)型的額電纜和組裝方式。

Mini-75Ω SMB比其他75Ω連接器的主要優(yōu)點(diǎn)是其尺寸。 Mini-75 Ohm SMB連接器的額定頻率為2-3 GHz，具體取決于制造商。

MCX連接器是為了在更小的封裝尺寸下為RF連接器帶來(lái)更高的性能。MCX是像SMB這樣的連接器接口上的按鈕，但是小了30%。MCX連接器額定值高達(dá)6GHz，不像帶螺紋接口那樣堅(jiān)固，可提供50Ω/75Ω配置。此外，MCX電纜可能不如SMA或SMB常見(jiàn)，因此與SMB和SMA連接器相比，更難與MCX連接器連接。