随着汽车智能驾驶系统和车载娱乐系统的需求日益增长，车内信号传输速率随之增加，导致相应的连接线缆的传输频率也逐渐增加。FAKRA同轴线缆是一种传输射频信号或高清摄像头信号的高速高频线缆，其典型结构如图1所示，主要包括：FAKRA连接器、FAKRA Inline连接器、同轴电缆、PCB板端连接器。
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图1 FAKRA同轴线缆连接结构图文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-signal-transmission-analysis-of-fakra-coaxial-cable/
FAKRA同轴线缆在零件匹配和汽车应用中，回波损耗和插入损耗这两项重要电气性能会受到明显影响，导致传输信号的品质下降，影响用户感知，甚至导致功能失效。本文主要分析FAKRA连接器、FAKRA Inline连接器、同轴电缆、PCB板端连接器，对整个传输链路信号品质的影响，并提出减少影响的工程方法。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-signal-transmission-analysis-of-fakra-coaxial-cable/
1 FAKRA连接器对整个传输链路性能的影响
在分析FAKRA连接器对信号品质的影响之前，需要先了解连接器的设计标准，再围绕标准分析存在的潜在影响因素。FAKRA连接器主要参考的界面尺寸标准主要有ISO20860-1和USCAR-18，测试标准主要有ISO20860-2，USCAR-17和USCAR-2。界面尺寸标准，定义了FAKRA连接器轴向和径向方向的主要尺寸，包括公端连接器和母端连接器，如图2所例示（摘自ISO20860-1）。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-signal-transmission-analysis-of-fakra-coaxial-cable/
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图2 线端公端连接器界面尺寸标准文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-signal-transmission-analysis-of-fakra-coaxial-cable/
在轴向方向上，某些尺寸是一个尺寸公差范围，公母两端连接器对插后，在连接界面处存在间隙。界面尺寸公差引起的对插后的间隙对电性能产生影响，空气间隙的大小影响阻抗匹配的程度。另外从标准出发，外导体端面处绝缘介质材料只定义了50Ω的设计要求，在不同公司的产品中，绝缘介质材料存在并不相同的现象，也会影响阻抗匹配的效果。故即使在界面结构尺寸符合标准的前提下，对于不同绝缘材料和界面结构的连接器，需要进行匹配试验，验证相关电性能指标是否在规定数值范围内。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-signal-transmission-analysis-of-fakra-coaxial-cable/
2 FAKRA Inline连接器对整个传输链路性能的影响
在整车线束连接和组装过程中，不可避免地采用Inline连接器进行对接，例如对于娱乐主机与外部天线的连接，娱乐主机布置在仪表台区域，而外部天线在车顶后部，一般需要通过仪表线束、车身线束和顶棚线束三段线束来共同连接，这就会产生Inline连接器。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-signal-transmission-analysis-of-fakra-coaxial-cable/
如图3所示，做了一下连接对比：一根为完整的400mm样品1，两端为FAKRA连接器；另外一根为4段等长的100mm样品2，通过3对FAKRA Inline进行串联连接。文章源自线束工程师之家-https://www.suncve.com/on-board-signal-transmission-analysis-of-fakra-coaxial-cable/
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图3 样本1同轴电缆和样本2同轴电缆
通过表1的插入损耗对比，可以发现在相同频率下，样品2比样品1插入损耗大，是由于中间的3对Inline连接器的插入损耗在传输链路中施加了影响。
表1 样本1同轴电缆与样本2同轴电缆的插入损耗对比
通过表1可以看出，增加Inline连接器可以引入插入损耗，由此得知连接器插入的数量越多，插入损耗越大。同时，对于Inline连接的选型应用，需要考虑工作频率，在不同频率下，插入损耗不同。在实际应用中，还需要验证Inline连接器的品质稳定性和一致性。
另外，尤其涉及到不同厂家的Inline连接时，需要评估和测试切换后的整体性能。Inline连接器对配时，如果发生阻抗失配，会引起回波损耗，导致信号输出功率降低，插入损耗增大；Inline连接器的导体损耗、介质损耗以及辐射能量都会引起插入损耗增大，导致信号输出功率降低。
3 FAKRA同轴电缆对整个传输链路性能的影响
同轴线缆是由两根同轴心、相互绝缘的圆柱形金属导体构成基本单元。其线缆示意见图4。
图4 同轴线缆结构
在考虑到FAKRA同轴电缆时，通常认为，同轴电缆的插入损耗等于连接器和电缆的损耗之和。本文需要强调，插针和插孔的同心度和接触状态，对同轴电缆插入损耗的影响，“接触不好”会导致同轴电缆插入损耗的增加，同时也可能体现为信号不稳定或者直接开路。判定接触状态的好坏，除了测试公、母连接器对插后的接触电阻之外，还可以测试标准规定的接插保持力，以衡量和判定其接触状态。在ISO20860-2测试项目中明确定义了内、外导体的测试方法。
影响同轴电缆插入损耗的另一个因素，是电缆的工作频率范围。图5为某型号电缆插入损耗的测试曲线，可以看到，在电缆工作带宽“线性频段”之内，插入损耗测试曲线的线性变化，而在带宽之外，测试结果非线性变化，并且在某些频点产生突变，从而给整个链路的信号传输带来不可忽视的影响和后果。
图5 电缆的工作带宽之外插入损耗性能突变
4 FAKRA 板端连接器对整个传输链路性能的影响
FAKRA板端连接器相对线端连接器，除了界面处结构存在差异外，比较常见的差异为，公端外导体的端面存在两种设计：绝缘子和空气。这两种界面与母端连接器对插后，会存在性能上的差异。
影响公端板端连接器性能的另外一个重要因素是，在连接器的尾部与PCB板连接的设计。图6为一款内导体平贴在电路板信号线上的板端连接器，图7为板端连接器切除部分外导体后的结构示意图。
图6 板端连接器
图7 板端连接器切除部分外导体
为了实现阻抗匹配，这些因素都会影响到信号的传输：板端连接器内导体的根部（靠近连接器绝缘介质的部位）离PCB板的距离、板上信号线的宽度、PCB板的工作带宽、板上信号线两侧开孔的大小。
当工作频率超过一定的阈值时，无论是板端连接器、PCB板，以及相应的焊接参数，都要充分论证，避免高频信号在某些频段产生突变。
5 结论
通过上述内容可以看出，FAKRA同轴电缆在选择时，需要关注电缆和连接器的工作带宽，在整个链路中，每个器件的工作带宽都会对信号传输产生影响。对于同种类别不同厂家的连接器，需要参照产品技术规范确认选型匹配的一致性。
整车线缆实际应用中，对于弯折区域的同轴线缆应用，考虑到传输损耗以及弯折耐久，通常会采用损耗更低，直径更大的专用耐弯折电缆。对于布置在湿区的用电器，通常采用防水防尘的专用FAKRA连接器。对于布置在振动区域，还需考虑满足振动需求的FAKRA连接器。
总之，FAKRA连接器、FAKRA Inline连接器、同轴电缆、PCB板端连接器，都会对整个链路的信号传输造成影响。通过分析和掌握其主要的影响因素，制订相应的设计和测试措施，降低和消除这些影响，从而有利于高频信号传输的可靠性和稳定性。
本文转载自《汽车电器》杂志2020年11期
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