高性能微型化設(shè)備應(yīng)用催生RF連接器小型化

(中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第四十研究所，安徽蚌埠，233010)

1　引言

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，以智能終端、穿戴式設(shè)備、高端測(cè)試儀器為代表的新型電子信息設(shè)備的性能/功能越來(lái)越強(qiáng)大，這些系統(tǒng)不斷推進(jìn)元器件的小型化發(fā)展。盡管元器件小型化不是一個(gè)新的發(fā)展趨勢(shì)，但可以說(shuō)是一個(gè)永恒的趨勢(shì)。近二十年來(lái)小型化、高密度一直是連接器技術(shù)領(lǐng)域最顯著的發(fā)展趨勢(shì)之一，這一趨勢(shì)將隨著材料、工藝技術(shù)的進(jìn)步持續(xù)下去。

RF連接器，作為一種整機(jī)系統(tǒng)常用的元器件，小型化也是其發(fā)展趨勢(shì)之一。RF連接器是一種傳輸射頻信號(hào)(頻率在3MHz以上)的微波接口元件，用在器件與器件、組件與組件、系統(tǒng)與子系統(tǒng)之間起著連接或分?jǐn)嗤S電纜、微帶電路、傳輸射頻信號(hào)的作用，通過(guò)它可實(shí)現(xiàn)射頻信號(hào)傳遞路徑的連接和分離。

由于同軸傳輸是一種封閉式的雙線傳輸模式，其傳輸對(duì)象為TEM波，故從直流到H11模的下限截止頻率內(nèi)，均可實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的微波信號(hào)傳輸，且具有成本低、結(jié)構(gòu)緊湊、易于布線等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于儀器儀表、微波通訊設(shè)備、雷達(dá)及武器裝備系統(tǒng)。

2　系統(tǒng)小型化高性能催生RF連接器　小型化

隨著無(wú)線通信、航空航天以及軍事尖端科技等高新科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，對(duì)RF連接器的要求越來(lái)越高，需求量也不斷增長(zhǎng)，促進(jìn)了RF連接器技術(shù)水平的高速發(fā)展，近年來(lái)RF連接器在質(zhì)和量上都有突破性提高。隨著移動(dòng)電話、高清家電、高性能軍事裝備的技術(shù)進(jìn)步，低占空的射頻互連技術(shù)仍然是當(dāng)今強(qiáng)勢(shì)發(fā)展的熱點(diǎn)之一，小型同軸連接器的需求正不斷增加。K型、V型、SSMA型、SSMB型、OSSP型、SMP、SMPM等小型化、微型化、高頻率、高性能產(chǎn)品不斷面世。2013年，世界RF連接器市場(chǎng)超過(guò)22億美元。其中，BNC、SMA、SMB、SMC等小型、超小型RF連接器占比達(dá)到44%，主要應(yīng)用領(lǐng)域包括蜂窩基站、雷達(dá)、天線、測(cè)試儀器、視頻及局域網(wǎng)設(shè)備、醫(yī)療設(shè)備以及軍事航天應(yīng)用等。可見(jiàn)小型化的RF連接器的用量很大、應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛。

2.1　先進(jìn)測(cè)量?jī)x器是RF連接器小型化的先驅(qū)

科技創(chuàng)新，儀器先行，為了實(shí)現(xiàn)對(duì)電子產(chǎn)品的測(cè)試測(cè)量，測(cè)試技術(shù)要有相對(duì)的超前性和先進(jìn)性，所以測(cè)試儀器應(yīng)用需求引領(lǐng)了電子產(chǎn)品技術(shù)的發(fā)展。同樣，RF連接器小型化發(fā)展首先就是受微波毫米波測(cè)量?jī)x器對(duì)RF連接器高頻率、寬頻帶的要求而最先發(fā)展起來(lái)的。

2.4型RF連接器，由安捷倫科技推出，該公司的同軸50GHz矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA)的推出，需要研制2.4型/50GHz RF連接器界面，以支持毫米波頻率。1.85型RF連接器是20世紀(jì)80年代中期由HP公司研制的，在1986年的歐洲微波會(huì)議上首次推出，可用到65GHz，其外導(dǎo)體內(nèi)徑為1.85mm，中心導(dǎo)體的直徑只有0.523mm；并于1989年1月宣稱在360型網(wǎng)絡(luò)分析儀中得到應(yīng)用。1.0型RF射頻連接器，上世紀(jì)90年代由安捷倫公司推出；其使用頻率高達(dá)110GHz、內(nèi)導(dǎo)體直徑小至0.43mm；Anritsu公司也推出了110GHz同軸VNA，從而推出了110GHzW型連接器。在開(kāi)發(fā)70kHz～145GHz的同軸VNA系統(tǒng)的過(guò)程中，Anritsu公司已經(jīng)展示了0.8型RF連接器。

先進(jìn)的測(cè)量?jī)x器及測(cè)試應(yīng)用對(duì)RF連接器高性能的要求，也促使RF連接器的小型化。

2.2　航天/軍事系統(tǒng)催生RF連接器小型化

軍事/航天領(lǐng)域也是RF連接器的重要應(yīng)用領(lǐng)域之一，雖然用量不是很大，但由于應(yīng)用領(lǐng)域特殊，因此備受各方關(guān)注，世界各大RF連接器公司和國(guó)內(nèi)的專業(yè)廠家均緊盯軍事需求這個(gè)領(lǐng)域。對(duì)于航空、航天及軍事應(yīng)用，高性能、小型化及模塊化是當(dāng)前RF連接器的主要發(fā)展方向。

為了提升雷達(dá)等裝備的抗干擾能力、目標(biāo)識(shí)別及捕捉能力等性能，高頻率小型RF連接器的應(yīng)用需求日益增大：工作頻率到40GHz的SMP、2.92系列RF連接器的用量在明顯增多，2.4系列(50GHz)、SMPM系列(65GHz)RF連接器的應(yīng)用需求也已明確提出。對(duì)于航空航天等裝備，為了提升機(jī)動(dòng)性/有效載荷、降低成本等方面的因素，戰(zhàn)時(shí)條件下快速維修、更換，迅速恢復(fù)武器功能等需求，對(duì)RF連接器等提出了小型化、模塊化的發(fā)展需求。為了應(yīng)對(duì)這種需求，各專業(yè)公司研究、開(kāi)發(fā)了多種小型化/模塊化的RF連接器，部分示例見(jiàn)表1。

表1　部分小型化/模塊化RF連接器

航天/軍事系統(tǒng)的高性能，需要集成化、模塊化的分系統(tǒng)，大量采用板間互連方式，需要大量的RF連接器，板間互連的特點(diǎn)是往往多路同時(shí)插合/分離。為了滿足板間推入、拔出的連接與分離，要求RF連接器的連接機(jī)構(gòu)為直插式結(jié)構(gòu)。為此產(chǎn)生了很多小型直插式的RF連接器，如SMB、MCX、MMCX、SMP、SMPM連接器等。這些連接器由于省去了連接螺母及擰緊連接螺母所需的扳手空間，其體積及占空明顯降低。SMB型連接器是20世紀(jì)60年代發(fā)明的一種RF連接器，不僅體積小于SMA型連接器，占用空間更小；MCX連接器是20世紀(jì)80年代研制出來(lái)的RF連接器，與SMB型連接器具有相同的內(nèi)接觸件和絕緣體尺寸，但體積比SMB小約30%；MMCX連接器是20世紀(jì)90年代研制出來(lái)的RF連接器，是MCX連接器的縮小版本，MMCX型連接器的尺寸大約為SMB的50%。

其中，最典型的當(dāng)屬SMP型RF連接器，是第二代板間RF連接器，使用頻率范圍為DC～40GHz，具有很多優(yōu)點(diǎn)：1)尺寸小，適合于射頻模塊的高密度多芯連接；2)頻率范圍寬，適合于高性能應(yīng)用；3)連接與分離快速，縮短裝備的安裝時(shí)間；4)盲配直插，無(wú)需插拔工具，適合于系統(tǒng)與系統(tǒng)的互連；5)允許徑向和軸向一定量的失準(zhǔn)，可消除印制電路位置、尺寸的誤差；6)具有全擒縱、半擒縱(有限擒縱)和無(wú)擒縱(光孔)三種形式的連接機(jī)構(gòu)，可根據(jù)應(yīng)用需求選擇不同的連接機(jī)構(gòu)形式；是板-板互連的極好選擇。

近幾年來(lái)，為了適應(yīng)板間互連快速發(fā)展的需求，Astrolab公司、Radiall公司、Sabritec微波公司、SV微波公司等公司陸續(xù)推出了自己的SMPM型RF連接器，外形比SMP小20%～30%，工作頻率達(dá)到65GHz，為第三代板間RF連接器。SV微波等公司推出了SMPS、羅森博格公司2017年4月推出其WSMP，為第四代板間RF連接器，尺寸比SMP小45%，工作頻率可達(dá)100GHz，適用于多端口應(yīng)用中的致密封裝，界面高度低。

2.3　通信系統(tǒng)微型化催生RF連接器小型化

RF連接器用量最大的領(lǐng)域是通信行業(yè)，應(yīng)用包括基站發(fā)射設(shè)備、寬帶網(wǎng)絡(luò)及天線系統(tǒng)等。隨著通信設(shè)備產(chǎn)品的小型化以及射頻拉遠(yuǎn)頭(RRH)技術(shù)的采用，使RF連接器向著小型化、輕型化發(fā)展。最典型的通信基站、地面移動(dòng)電臺(tái)的蜂窩站或室內(nèi)/戶外分布式天線系統(tǒng)用小型化RF連接器是4.1-9.5 型RF連接器、4.3-10型RF連接器。

4.1-9.5型連接器是DIN7-16的縮小版，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)、連接方式與DIN7-16相似，設(shè)計(jì)用于無(wú)線結(jié)構(gòu)應(yīng)用。近幾年來(lái)，很多知名公司(如，德?tīng)査娮又圃臁an-tron、安費(fèi)諾Connex、Fairview微波等公司)陸續(xù)推出了自己的小型DIN4.1-9.5連接器/轉(zhuǎn)接器產(chǎn)品，見(jiàn)表2。

為適應(yīng)未來(lái)移動(dòng)通信市場(chǎng)的新型基站以及分布式天線系統(tǒng)(DAS)的需求，由Rosenberger、Huber & Suhner、Spinner 以及Telegartner開(kāi)發(fā)了一個(gè)新型連接器系統(tǒng)，即4.3-10 連接器，是近幾年炒的最熱門的RF連接器產(chǎn)品之一，專利爭(zhēng)端、標(biāo)準(zhǔn)競(jìng)爭(zhēng)等陸續(xù)出現(xiàn)。

4.3-10 連接器是4.1-9.5 型RF連接器的競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)品。4.3-10連接器設(shè)計(jì)用于滿足通信網(wǎng)絡(luò)設(shè)備不斷提高的性能要求，4.3-10的亮點(diǎn)在于最佳的電性能和低互調(diào)(低PIM)。其尺寸相較于DIN 7-16連接器縮小了40%，重量減輕了60%，非常適合目前的移動(dòng)通信系統(tǒng)。

2.4　便攜計(jì)算機(jī)/家電催生RF連接器小型化

計(jì)算機(jī)、家用電器基本占據(jù)RF連接器應(yīng)用的第二大市場(chǎng)。在該領(lǐng)域，RF連接器的小型化、模塊化也是主要發(fā)展方向之一。部分公司為適應(yīng)該領(lǐng)域應(yīng)用推出的小型化新產(chǎn)品見(jiàn)表3。

表2　部分小型DIN4.1/9.5連接器

表3　部分公司推出的家電用RF連接器新產(chǎn)品

3　小型化給RF連接器行業(yè)帶來(lái)的挑戰(zhàn)

RF連接器小型化、模塊化的應(yīng)用需求，為RF連接器行業(yè)帶來(lái)了新的機(jī)遇：新技術(shù)不斷突破，新產(chǎn)品不斷誕生，收獲技術(shù)創(chuàng)新成果，獲得新的經(jīng)濟(jì)增長(zhǎng)點(diǎn)；但同時(shí)也給從業(yè)者、使用者帶來(lái)更大的挑戰(zhàn)：1)可靠性方面的挑戰(zhàn)，由于整機(jī)系統(tǒng)安裝密度的需求，要求RF連接器越來(lái)越小，但由于物理結(jié)構(gòu)上的瓶頸，不可能無(wú)限制小下去，而且物理尺寸的減小，產(chǎn)品的可靠性問(wèn)題更加突顯；2)技術(shù)融合方面的挑戰(zhàn)，在產(chǎn)業(yè)融合、技術(shù)融合趨勢(shì)的不斷推動(dòng)下，RF連接器與其它行業(yè)的邊界越來(lái)越模糊，元件、器件、組件、模塊、系統(tǒng)等技術(shù)相互融合交織、產(chǎn)業(yè)相互滲透，難分彼此；3)工藝、測(cè)試實(shí)現(xiàn)方面的挑戰(zhàn)，新結(jié)構(gòu)、新材料的應(yīng)用使RF連接器性能進(jìn)一步提升，同時(shí)也衍生出新的制造工藝、測(cè)試難題。

3.1　設(shè)計(jì)技術(shù)方面的挑戰(zhàn)

在設(shè)計(jì)方面，隨著RF連接器體積的縮小，材料的選用、結(jié)構(gòu)的精密設(shè)計(jì)的難度增大，如：1)介質(zhì)材料的選擇、結(jié)構(gòu)尺寸的確定及結(jié)構(gòu)的工藝性；2)插孔接觸件的材料、壁厚及開(kāi)槽長(zhǎng)度與寬度；3)鍍層的設(shè)計(jì)、厚度的確定；等等都會(huì)增大難度。

隨著連接器尺寸的縮小，RF連接器也已經(jīng)變得更加脆弱，所以結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、耐振動(dòng)/沖擊及溫度等環(huán)境方面的可靠性設(shè)計(jì)更加困難，其中可靠性預(yù)計(jì)、分配及仿真驗(yàn)證的難度增加最嚴(yán)重，隨著小型化的加劇，如何匹配各構(gòu)件的結(jié)構(gòu)和可靠性來(lái)實(shí)現(xiàn)整個(gè)RF連接器的最佳可靠性，如何建立可靠性模型進(jìn)行仿真驗(yàn)證，都會(huì)比以前增加很大的難度。

3.2　制造工藝技術(shù)方面的挑戰(zhàn)

在制造工藝方面，也是挑戰(zhàn)最大的方面，從零件的機(jī)械加工、電鍍處理，裝配調(diào)試，到工藝環(huán)境控制等方面要求都提出了新的挑戰(zhàn)。

1)RF連接器的內(nèi)、外導(dǎo)體等金屬零件的尺寸精度逐漸從1/100mm升高為1/1000mm；1.0型RF連接器內(nèi)導(dǎo)體孔徑小至0.25mm，深度超過(guò)1.3mm；開(kāi)槽寬度0.05 mm長(zhǎng)度近1mm；雖然工藝設(shè)備技術(shù)的發(fā)展可以滿足制造使用需求，但現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量技術(shù)、工藝環(huán)境等方面仍具有很大的挑戰(zhàn)。

2)非金屬材料的成型壁厚已薄至0.1mm，1.0型RF連接器的介質(zhì)壁厚更薄至0.05 mm，超過(guò)了傳統(tǒng)模具填充成型技術(shù)的極限，需要探索、研究新的工藝方法。

3)在電鍍、熱處理等方面，挑戰(zhàn)主要是小、深孔的電鍍以及高精度玻璃燒結(jié)等方面的難題。

4)在裝配調(diào)試方面的挑戰(zhàn)更大，對(duì)于小型化、高頻率的RF連接器，裝配過(guò)程中的尺寸保證、構(gòu)件位置關(guān)系的控制等均將影響產(chǎn)品性能指標(biāo)和可靠性。為了保證小型化、高頻率RF連接器的質(zhì)量和可靠性，對(duì)RF連接器行業(yè)的裝配工藝技術(shù)、設(shè)備與自動(dòng)化程度及工藝環(huán)境提出了挑戰(zhàn)。

3.3　測(cè)試技術(shù)方面的挑戰(zhàn)

對(duì)于RF連接器行業(yè)來(lái)說(shuō)，小型化、高頻率的RF連接器帶來(lái)的挑戰(zhàn)主要包括：測(cè)試精度方面的要求、測(cè)試儀器及測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的缺失等。尤其是哪些小型化模塊化的直插式RF連接器，長(zhǎng)期以來(lái)一直缺乏測(cè)試轉(zhuǎn)接器、校準(zhǔn)件等測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，隨著小型化、模塊化的加劇，測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的缺失情況會(huì)日益嚴(yán)重。

4　結(jié)語(yǔ)及趨勢(shì)研判

在移動(dòng)通信、軍事與航天、計(jì)算機(jī)與家電等牽引下，RF連接器行業(yè)在小型化、模塊化方面取得了豐碩的成果，同時(shí)也提出了技術(shù)、能力方面的問(wèn)題和挑戰(zhàn)，隨著這些問(wèn)題的逐步解決，將會(huì)取得更加豐厚的收獲。對(duì)整機(jī)系統(tǒng)的發(fā)展及應(yīng)用需求進(jìn)行分析，RF連接器小型化、模塊化的發(fā)展趨勢(shì)仍將持續(xù)下去，預(yù)計(jì)的發(fā)展趨勢(shì)主要包括：

1)RF連接器的傳輸頻率不斷提高、帶寬不斷增寬。為了滿足武器裝備等的保密傳輸要求，2.92型、2.4型、1.85型、SMPM型等高頻率、寬頻帶微小型RF連接器的應(yīng)用將快速提升。

2)適宜于模塊化的小型RF連接器應(yīng)用廣泛，集成互連將成為主要應(yīng)用模式。在電子對(duì)抗、相控陣?yán)走_(dá)、ATE中大量需求SMP、SMPM、SMPS等快速插拔、適合模塊化的RF連接器；同時(shí)，隨著模塊化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，獨(dú)立的射頻傳輸方式會(huì)逐步被光、電(含射頻)及其它信號(hào)一體化的集成互連傳輸所取代，而且界限會(huì)越來(lái)越模糊。

3)高可靠。隨著武器裝備的信息化、通信技術(shù)的快速發(fā)展，模擬電路讓位于數(shù)字電路，整機(jī)設(shè)備也從臺(tái)式轉(zhuǎn)向便攜式，電路的芯片尺寸變得相當(dāng)小，要求更小的工作電流，更小的電線和連接器。要求RF連接器更小的尺寸和更小的重量，同時(shí)可靠性、耐久性要求也越來(lái)越高。

4)表面貼裝連接器。隨著移動(dòng)通信設(shè)備的小型化、模塊化發(fā)展，表面貼裝的RF連接器也將大有可為。

參考文獻(xiàn)：

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