一種板到板射頻連接器的設(shè)計

李旗祥

(四川華豐企業(yè)集團有限公司，四川綿陽，621000)

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一種板到板射頻連接器的設(shè)計

李旗祥

(四川華豐企業(yè)集團有限公司，四川綿陽，621000)

摘要：小型化通信設(shè)備中的板到板射頻通道一般采用連接器直接連接方式。為滿足多通道射頻連接器的順利插合、分離并保證良好的傳輸性能，需要在滿足軸向、徑向不對準(zhǔn)情況下順利連接且具有良好電性能的板到板射頻連接器，本文將介紹一種板到板射頻連接器的設(shè)計。

關(guān)鍵詞：板到板；小型化；軸向；徑向下對準(zhǔn)；阻抗互補

1引言

隨著無線通信設(shè)備小型化的發(fā)展，由于安裝空間及距離的減小，一些基站設(shè)備中板(注：印制版)到板的射頻傳輸需要直接使用連接器，而非傳統(tǒng)的射頻跳線方式。要實現(xiàn)板到板多通道射頻連接器傳輸，需要連接器在滿足較大的軸向、徑向不對準(zhǔn)情況下，具有良好的電性能。

本文介紹一種具有良好電性能的板到板射頻連接器方案(ZL201320320894.3)。

2射頻連接器設(shè)計原則

射頻同軸連接器設(shè)計的根本原則就是在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)保證盡可能高的傳輸性能。

a)傳輸線上各點的特性阻抗盡可能保持一致

在射頻同軸連接器中，由于內(nèi)外導(dǎo)體間有絕緣支撐的緣故，在結(jié)構(gòu)上就不可避免地在絕緣支撐處引入臺階結(jié)構(gòu)，為了在較寬的頻帶范圍內(nèi)保證盡可能高的傳輸性能，需要各斷的特性阻抗盡可能與系統(tǒng)阻抗保持一致。否則，在阻抗不一致的地方將形成反射，使得射頻信號無法完整無失真的從入射端傳輸?shù)浇邮斩?，如下圖所示。

圖1　阻抗不一致反射圖示

b)對無法避免的電連續(xù)性變化進行共面補償

在實際工程應(yīng)用中，電連續(xù)性的變化總是不可避免的。但根據(jù)傳輸線理論可以找到一定的方法來補償這種連續(xù)性的變化。例如，絕緣支撐處必將對內(nèi)外導(dǎo)體進行挖槽形成絕緣支撐的定位臺階，微波傳輸過程中在此臺階處就會形成一個不連續(xù)電容，我們?yōu)榱搜a償這個不連續(xù)電容的影響就需要在此處設(shè)計出一個高電感予以補償，常用的方法是在絕緣支撐的徑向表面挖槽，根據(jù)不連續(xù)電容的大小確定挖槽的深度。

可以先對內(nèi)外導(dǎo)體的定位槽深度進行設(shè)計，找出性能最好的尺寸組合，使電連續(xù)性變化最小，然后再根據(jù)位置采用絕緣支撐兩面均開槽的方式對兩邊的臺階分別進行電感補償，以最大限度降低不連續(xù)電容的影響。

圖2　共面補償結(jié)構(gòu)圖示

c)盡量減小公差偏移給電氣性能帶來的影響。

射頻同軸連接器的各個零件在加工過程中不可避免地會有制造誤差，而對加工制造加以約束的尺寸公差在設(shè)計過程中就會確定。即使零件都符合公差要求，但因為多個零件裝配后公差疊加后出現(xiàn)公差不在范圍內(nèi)的情況。所以在設(shè)計過程中，涉及到傳輸性能的重要尺寸一定要盡量少地受到綜合公差的影響。

3板到板射頻連接器的研制

3.1　主要性能指標(biāo)要求

板到板射頻同軸連接器性能指標(biāo)見表1所示。

表1　射頻同軸連接器各項性能指標(biāo)

3.2　結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

要滿足板到板軸向較大的綜合誤差，板到板射頻連接器必須具備軸向容差的包容性。也即是說，在插合界面部分留出足夠的間隙來保證軸向不對準(zhǔn)容差。界面處間隙的出現(xiàn)和間隙大小隨插合狀態(tài)的變化，將導(dǎo)致特性阻抗的一致性發(fā)生變化，根據(jù)上述射頻連接器設(shè)計原則第一條的要求，阻抗的不連續(xù)變化勢必會影響產(chǎn)品的電性能指標(biāo)。

為了在軸向不對準(zhǔn)間隙容差的情況下保證產(chǎn)品的電性能指標(biāo)，在較低的頻段內(nèi)(一般不大于6GHz),可以采用阻抗互補的方式實現(xiàn)良好的電性能要求。阻抗互補是通過不同區(qū)域段阻抗相互綜合，使得這一傳輸段內(nèi)的平均阻抗接近系統(tǒng)特性阻抗(50Ω)的一種設(shè)計方法，如圖3所示。

圖3　板到板射頻連接器圖示

一般來說，該板到板連接器包括兩個印制板插座和一個中間轉(zhuǎn)接器。其中，一個插座為鎖緊端，外殼內(nèi)壁有槽，轉(zhuǎn)接器與該插座分離力較大；另外一個插座為滑動端，殼體具有較大的導(dǎo)向設(shè)計，保證轉(zhuǎn)接器在一定范圍不對準(zhǔn)情況下實現(xiàn)順利插合；中間轉(zhuǎn)接器與兩個印制板插座相插合，內(nèi)、外彈性接觸件設(shè)計保證了不對準(zhǔn)包容性的實現(xiàn)和接觸的可靠性。

在圖3中，A-A、C-C區(qū)域為低阻抗區(qū)域，B-B、D-D區(qū)域為高阻抗區(qū)域，經(jīng)過反復(fù)調(diào)整和優(yōu)化，最終確定滿足軸向±1mm容差情況下獲得較好電性能的各區(qū)域阻抗值。

利用HFSS仿真優(yōu)化分析曲線之一如圖4。從仿真曲線來看，在6GHz以內(nèi)，駐波比不大于1.13，能滿足設(shè)計要求。

圖4　電壓駐波比仿真優(yōu)化分析圖

如圖5所示，插孔直徑大于插針直徑(單邊間隙△1)，插孔為切槽彈性接觸件，通過收口、熱處理工藝來保證其彈性。同時，在保證接觸界面間隙最大時插針與插孔能實現(xiàn)可靠接觸的前提下，盡量減小插針插入插孔的長度L。這樣，插針與插孔之間就能夠保證轉(zhuǎn)接器在偏斜±3°情況下，避免插針與插孔之間形成硬干涉。同樣，中間轉(zhuǎn)接器的外接觸件為開槽的彈性接觸件，轉(zhuǎn)接器彈性接觸件的外徑與插座外殼的內(nèi)徑之間留出間隙(單邊間隙△2)，保證轉(zhuǎn)接器在偏斜3°情況下，轉(zhuǎn)接器外接觸件外徑與印制板插座外接觸件內(nèi)孔之間不會形成硬干涉。另外，印制板插座外殼口部設(shè)計有碗口型導(dǎo)向錐度(單邊導(dǎo)向?qū)挾瘸叽鏗)，保證轉(zhuǎn)接器能順利插入插座。

圖5　徑向容差結(jié)構(gòu)示意圖

3.3　實物測試情況

根據(jù)上述思路設(shè)計的產(chǎn)品實物經(jīng)過測試，其電性能指標(biāo)滿足預(yù)定的要求。采用網(wǎng)絡(luò)分析進行樣品的實際檢測，平均特性阻抗符合50Ω的要求，見圖6。圖7、圖8分別是電壓駐波比、插入損耗的測試曲線圖。從測試情況來看，電壓駐波在6GHz內(nèi)比不大于1.25，插入損耗不大于0.15dB，滿足設(shè)計要求。

從測試結(jié)果來看，電壓駐波在DC～3GHz內(nèi)比不大于1.15。電壓駐波在3GHz～6GHz內(nèi)比不大于1.25，滿足設(shè)計要求。

圖6　平均特性阻抗測試圖

圖7　電壓駐波比測試圖

圖8　插入損耗測試圖

從測試結(jié)果來看，插入損耗最大值不超過0.15dB，滿足設(shè)計不大于0.35dB要求。

4結(jié)束語

本文采用的阻抗互補性設(shè)計結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)板到板射頻連接器滿足較大徑向、軸向不對準(zhǔn)容差情況下，滿足良好電性能指標(biāo)的要求。

參考文獻：

[1]射頻連接器集中設(shè)計參考資料，1972年.

[2]射頻連接器設(shè)計及論文匯編，主編：吳正平.

中圖分類號：TN784

文獻標(biāo)識碼：A

文章編號：1000-6133(2015)02-0017-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.004

收稿日期：2015-02-11