快插低互調(diào)射頻連接器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

摘要: 本文基于隨著通信市場(chǎng)模塊化、小型化、低互調(diào)、高效率的發(fā)展趨勢(shì)，重點(diǎn)討論了通信設(shè)備內(nèi)模塊與設(shè)備外模塊的連接器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)，主要討論如何實(shí)現(xiàn)快插連接器的低互調(diào)以及降低電磁泄漏，介紹了母端連接器采用劈6 槽的接觸主體與公端腔體側(cè)壁力接觸實(shí)現(xiàn)低互調(diào)的指標(biāo)，以及采用C 型環(huán)填充公母端外導(dǎo)體之間的間隙實(shí)現(xiàn)較低電磁泄漏，通過(guò)HFSS 電磁仿真軟件對(duì)VSWR 以及電磁泄漏進(jìn)行仿真模擬，最后分析測(cè)試結(jié)果，并總結(jié)實(shí)際產(chǎn)品的問(wèn)題以及后續(xù)改善的空間。

1、引言

從目前市場(chǎng)分析，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，高效率和能適應(yīng)多種系統(tǒng)的射頻連接器，已成為當(dāng)前國(guó)內(nèi)外重要研究課題。另外，城鎮(zhèn)化不斷發(fā)展，站址資源的稀缺，同時(shí)人們對(duì)高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)要求越來(lái)越高，促使連接器朝著輕便快捷的操作方式、小型化、寬頻化的方向發(fā)展，而且隨著集成化程度提高，各種通信模塊逐步形成標(biāo)準(zhǔn)模塊，這些模塊在終端通信設(shè)備廠家可自由進(jìn)行模塊與模塊的連接; 以及模塊與通信設(shè)備外模塊的連接。目前，市場(chǎng)上普遍存的通信設(shè)備箱內(nèi)模塊與設(shè)備箱外的模塊之間的連接依然采用的是通過(guò)一根射頻線纜組件完成內(nèi)外的連接^[5]，如圖( 1－a) 。因?yàn)樵O(shè)備箱內(nèi)的模塊與設(shè)備箱外的模塊的連接，不但要求較高的互調(diào)指標(biāo)而且需要較低的電磁泄漏指標(biāo)，設(shè)備外部的連接端口也需要很強(qiáng)的耐候性。本文重點(diǎn)研究了設(shè)備箱內(nèi)的模塊與設(shè)備箱外的模塊的連接方式，即將原本采用的射頻線纜組件壓縮成一對(duì)單獨(dú)的連接器，采用快插的方式實(shí)現(xiàn)通信模塊與通信箱外的端口連接，如( 圖1－b) 。該方案壓縮了設(shè)備箱體的空間，便于通信設(shè)備的小型化，同時(shí)進(jìn)一步提高了通信模塊標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1－a、常見(jiàn)的端口連接方式

圖1－b、快插端口連接方式

2、射頻連接器的設(shè)計(jì)基本概念

2.1、特性阻抗

射頻連接器最基本的要求是跟傳輸線的特性阻抗相匹配，對(duì)于均勻同軸傳輸線，在理想導(dǎo)體條件下的特性阻抗公式為^[1]:

(1)

式中，ε_r為介質(zhì)介電常數(shù); D 為外導(dǎo)體內(nèi)徑; d為內(nèi)導(dǎo)體外徑^[2]。

2.2、無(wú)源互調(diào)

無(wú)源互調(diào)( Passive Inter－Modulation，PIM) 是由發(fā)射系統(tǒng)中各種無(wú)源器件的非線性特性引起的。在大功率、多信道系統(tǒng)中，這些無(wú)源器件的非線性會(huì)產(chǎn)生相對(duì)于工作頻率的更高次諧波，這些諧波與工作頻率混合會(huì)產(chǎn)生一組新的頻率，其最終結(jié)果就是在空中產(chǎn)生一組無(wú)用的頻譜從而影響正常的通信。所有的無(wú)源器件都會(huì)產(chǎn)生互調(diào)失真。無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的原因很多，如機(jī)械接觸的不可靠、虛焊和表面氧化等。隨著移動(dòng)通信系統(tǒng)新頻率的不斷規(guī)劃、更大功率發(fā)射機(jī)的應(yīng)用和接收機(jī)靈敏度的不斷提高，無(wú)源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴(yán)重，因此越來(lái)越被運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)制造商和器件制造商所關(guān)注。無(wú)源互調(diào)有絕對(duì)值和相對(duì)值兩種表達(dá)方式。絕對(duì)值表達(dá)方式是指以dBm 為單位的無(wú)源互調(diào)的絕對(duì)值大小; 相對(duì)值表達(dá)方式是指無(wú)源互調(diào)值與其中一個(gè)載頻的比值( 這是因?yàn)闊o(wú)源器件的互調(diào)失真與載頻功率的大小有關(guān)) ，用dBc 來(lái)表示。典型的無(wú)源互調(diào)指標(biāo)是在兩個(gè)43dBm 的載頻功率同時(shí)作用到被測(cè)器件DUT 時(shí)，DUT 產(chǎn)生－100dBm( 絕對(duì)值) 的無(wú)源互調(diào)失真，其相對(duì)值為－143dBc。^[4]

3、產(chǎn)品設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

根據(jù)目前市場(chǎng)普遍存在的模塊結(jié)構(gòu)以及外箱結(jié)構(gòu)，本文采用面板鎖緊，002 產(chǎn)品與通信模塊在成模塊廠內(nèi)完成組裝測(cè)試，001 連接則通過(guò)連接器廠家完成組裝測(cè)試，最終通信模塊在終端通信廠家采用001 快插連接器完成與通信模塊組裝測(cè)試，有利完成通信模塊的標(biāo)準(zhǔn)化以及集成化和小型化，同時(shí)第4 期吳文進(jìn)等: 快插低互調(diào)射頻連接器設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)7簡(jiǎn)化了終端通信廠家的單獨(dú)模塊的組裝測(cè)試，有效的提高通信設(shè)備的效率以及小型化。本文根據(jù)公式1 計(jì)算出內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尺寸為:

內(nèi)導(dǎo)體2.12mm，外導(dǎo)體7.0mm，絕緣體采用介電常數(shù)為2.05 的PTFE。

為了有效提高無(wú)源互調(diào)指標(biāo)值，002 連接器采用劈6 槽的接觸主體，使其有效的001 的主體在插拔時(shí)，其有效與001 主體存在側(cè)向接觸力，可有效提高無(wú)源互調(diào)指標(biāo)值。設(shè)計(jì)方案如圖2 所示。

圖2、設(shè)計(jì)方案示意圖

圖3－a、HFSS 仿真軟件建立模型

圖3－b、電壓駐波比仿真結(jié)果

采用HFSS 仿真軟件建立模型^[3]，如圖3－a。其電壓駐波比仿真結(jié)果如圖3－b，其電磁場(chǎng)仿真結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4、電磁場(chǎng)仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果分析，電壓駐波比6GHz 最大1.06，完全可以滿足通信模塊的電壓駐波比指標(biāo)值。但是，電磁泄漏仿真在劈槽主體的連接器處有較大的電磁泄漏出現(xiàn)，無(wú)法滿足通信模塊的使用場(chǎng)景。為了滿足在不影響較大盲插配合的情況下降低電磁泄漏，需充分降低連接時(shí)連接主體間的間隙，則需要采用柔性的配合結(jié)構(gòu)，本文采用在連接主體間隙內(nèi)增加一個(gè)C 型卡環(huán)，充分地填充了公母端配合時(shí)主體間的間隙，且不影響盲插配合。

4、測(cè)試結(jié)果及分析

分別對(duì)8 組通道同時(shí)測(cè)試無(wú)源三階互調(diào)，如圖( 5－a)。測(cè)試結(jié)果全頻段( 0 ～3GHz) 均小于－115dBm;通常此類板對(duì)板盲插的連接器僅僅滿足頻段( 0 ～3GHz)均小于－85dBm。該連接器的無(wú)源互調(diào)指標(biāo)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于目前市場(chǎng)存在的板到板盲插連接器，并分別測(cè)試其電磁泄漏值，如圖( 5－b) 結(jié)果均小于－100dB( 0 ～3GHz) ，也優(yōu)于與目前該類產(chǎn)品的指標(biāo)值(－75dB)。

圖5－a、無(wú)源三階互調(diào)測(cè)試

圖5－b、電磁泄漏測(cè)試

5、結(jié)束語(yǔ)

該連接器通過(guò)公母端配合時(shí)，其外導(dǎo)體內(nèi)壁存在側(cè)向力接觸，實(shí)現(xiàn)了低互調(diào)指標(biāo)。通過(guò)C 型環(huán)結(jié)構(gòu)的加入，在不影響大容差情況下，實(shí)現(xiàn)了電磁低泄漏。同時(shí)在標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、高頻化的今天，能夠有效地滿足設(shè)備箱內(nèi)模塊與設(shè)備箱外模塊盲插，并且有著穩(wěn)定的無(wú)源互調(diào)指標(biāo)的連接器將會(huì)越來(lái)越受青睞，但本文設(shè)計(jì)的連接器在長(zhǎng)期可靠性的驗(yàn)證方面還需長(zhǎng)期考驗(yàn)，還有一些未知的因素可能會(huì)帶來(lái)產(chǎn)品性能的惡化，還需要長(zhǎng)期追蹤驗(yàn)證。