一種板到板射頻連接器的設計

2016-01-29 01:23:10李旗祥

機電元件 2015年2期

李旗祥

(四川華豐企業集團有限公司，四川綿陽，621000)

一種板到板射頻連接器的設計

李旗祥

(四川華豐企業集團有限公司，四川綿陽，621000)

摘要：小型化通信設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計。

關鍵詞：板到板；小型化；軸向；徑向下對準；阻抗互補

1引言

隨著無線通信設備小型化的發展，由于安裝空間及距離的減小，一些基站設備中板(注：印制版)到板的射頻傳輸需要直接使用連接器，而非傳統的射頻跳線方式。要實現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射頻連接器設計原則

射頻同軸連接器設計的根本原則就是在盡可能寬的頻率范圍內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，由于內外導體間有絕緣支撐的緣故，在結構上就不可避免地在絕緣支撐處引入臺階結構，為了在較寬的頻帶范圍內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到接收端，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性變化進行共面補償

在實際工程應用中，電連續性的變化總是不可避免的。但根據傳輸線理論可以找到一定的方法來補償這種連續性的變化。例如，絕緣支撐處必將對內外導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電容，我們為了補償這個不連續電容的影響就需要在此處設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，根據不連續電容的大小確定挖槽的深度。

可以先對內外導體的定位槽深度進行設計，找出性能最好的尺寸組合，使電連續性變化最小，然后再根據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電容的影響。

圖2　共面補償結構圖示

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公差不在范圍內的情況。所以在設計過程中，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　主要性能指標要求

板到板射頻同軸連接器性能指標見表1所示。

表1　射頻同軸連接器各項性能指標

3.2　結構設計與分析

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容差。界面處間隙的出現和間隙大小隨插合狀態的變化，將導致特性阻抗的一致性發生變化，根據上述射頻連接器設計原則第一條的要求，阻抗的不連續變化勢必會影響產品的電性能指標。

為了在軸向不對準間隙容差的情況下保證產品的電性能指標，在較低的頻段內(一般不大于6GHz),可以采用阻抗互補的方式實現良好的電性能要求。阻抗互補是通過不同區域段阻抗相互綜合，使得這一傳輸段內的平均阻抗接近系統特性阻抗(50Ω)的一種設計方法，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接器。其中，一個插座為鎖緊端，外殼內壁有槽，轉接器與該插座分離力較大；另外一個插座為滑動端，殼體具有較大的導向設計，保證轉接器在一定范圍不對準情況下實現順利插合；中間轉接器與兩個印制板插座相插合，內、外彈性接觸件設計保證了不對準包容性的實現和接觸的可靠性。

在圖3中，A-A、C-C區域為低阻抗區域，B-B、D-D區域為高阻抗區域，經過反復調整和優化，最終確定滿足軸向±1mm容差情況下獲得較好電性能的各區域阻抗值。

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

圖4　電壓駐波比仿真優化分析圖

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，中間轉接器的外接觸件為開槽的彈性接觸件，轉接器彈性接觸件的外徑與插座外殼的內徑之間留出間隙(單邊間隙△2)，保證轉接器在偏斜3°情況下，轉接器外接觸件外徑與印制板插座外接觸件內孔之間不會形成硬干涉。另外，印制板插座外殼口部設計有碗口型導向錐度(單邊導向寬度尺寸H)，保證轉接器能順利插入插座。