1 通訊設(shè)備中印制板間的位置關(guān)系和傳統(tǒng)互連形式

統(tǒng)的射頻信號(hào)跨板之間的傳輸是通過射頻電纜組件的架設(shè)來實(shí)現(xiàn)的。它的優(yōu)點(diǎn)是：互聯(lián)比較靈活，選擇范圍大；缺點(diǎn)是：成本高，傳輸距離大，空間要求高，安裝復(fù)雜。隨著無線通信應(yīng)用對(duì)設(shè)備體積日益緊湊的要求越來越普遍，設(shè)備的小型化輕量化趨勢(shì)越來越明顯，設(shè)備尺寸的不斷減小要求設(shè)備中所有器件的集成度越來越高、尺寸越來越小，這也包括廣泛應(yīng)用在射頻模塊之中以及之間互聯(lián)的射頻同軸連接器及其電纜組件。例如，在分布式基站系統(tǒng)中被廣泛采用的射頻拉遠(yuǎn)前端RRH(remote radio head)，為了使其能被簡(jiǎn)單、方便而且可靠的安裝在塔頂以及城市密集環(huán)境之中，其設(shè)計(jì)必須非常緊湊，要盡力控制其尺寸，這就要求承載其射頻信號(hào)傳輸?shù)耐S互連系統(tǒng)也必須更加簡(jiǎn)潔緊湊。傳統(tǒng)繁雜的電纜組件連接正在被簡(jiǎn)單、緊湊、可靠、同時(shí)可承載超過100W 射頻信號(hào)功率的“板對(duì)板”同軸連接器連接所取代。實(shí)際設(shè)計(jì)中對(duì)板對(duì)板連接器的要求也越來越高，對(duì)內(nèi)部射頻互聯(lián)部分就有了新的需求。

設(shè)備中PCB 之間的位置可以分為3 種狀態(tài)：水平，共面，垂直，如圖1 所示：

圖1 無線通信設(shè)備中PCB 之間的位置

圖2 配合容差類型

2 幾類板間連接器的設(shè)計(jì)2.1 PCB 板間配合容差類型我們知道，低頻連接器已經(jīng)發(fā)展出對(duì)應(yīng)的一系列產(chǎn)品，而參照低頻連接器的應(yīng)用，射頻連接器也需要對(duì)應(yīng)的連接方式，這樣才是一個(gè)完整的包括電源，數(shù)字，射頻等不同要求的傳輸應(yīng)用。同時(shí)還能實(shí)現(xiàn)混裝的高密度布局。但射頻信號(hào)對(duì)使用環(huán)境的要求要比低頻信號(hào)的要求高不少，同時(shí)由于PCB 板之間以及射頻通道與通道之間存在位置偏差，而連接器本身又不具備電纜的柔性，在這個(gè)前提下我們又要保證插損IL，回?fù)pRL，隔離Isolation 等射頻的基本指標(biāo)，所以我們需要對(duì)傳統(tǒng)射頻連接器進(jìn)行優(yōu)化來克服這些難點(diǎn)。

連接器尺寸的不斷變小帶來的在機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的挑戰(zhàn)主要有兩個(gè)方面：一是相對(duì)于大尺寸連接器，小尺寸連接器更難配合對(duì)準(zhǔn)。二是小尺寸連接器機(jī)械強(qiáng)度低，如使用不當(dāng)則較易損壞。一般大尺寸連接器能夠承受在配合時(shí)使用較大的機(jī)械力量不至損壞，但小型連接器在配合時(shí)則需要更準(zhǔn)確一些。三種不同的配合容差類型如圖2 所示。（1）徑向容差表示配合時(shí)兩中心針針軸之間有偏差。（2）角度容差表示兩中心針配合時(shí)有角度偏差。（3）軸向容差表示針與座未到底配合。對(duì)于射頻連接器，如無特殊設(shè)計(jì)，這種未到底配合會(huì)造成阻抗失配，帶來信號(hào)反射和駐波(VSWR)變大。

另外一個(gè)重要的機(jī)械指標(biāo)是盲插范圍，它表示連接器能夠容許有偏差配合的能力。盲插范圍角度至少與工作容差角度相等，但一般來說都遠(yuǎn)大于工作容差角度。

很明顯，連接器配合時(shí)需要考慮避免兩連接器硬碰造成不能連接或連接器損壞。允許一定程度的容差配合將避免這個(gè)問題。另外，允許容差配合還使在非可視狀態(tài)下的盲插成為可能。很多的盲插方案都采用了“碗狀”設(shè)計(jì)來導(dǎo)入連接。盲插配合使連接器的設(shè)計(jì)從功能層面提高到了用戶友好層面，設(shè)計(jì)不僅要考慮使連接器達(dá)到有效的信號(hào)傳輸功能，還要易于插拔使用。

2.2 幾類PCB 板間連接器的設(shè)計(jì)及機(jī)械電氣性能（1）第一代PCB 板間連接器目前逐步推廣的板對(duì)板射頻解決方案，傳統(tǒng)的小型射頻“板對(duì)板”同軸連接器，如MCX，不允許任何容差，特別是板對(duì)板軸向距離容差。而SMB 系列，一對(duì)公母連接器配合，通過母端連接器開槽部件的彈性變化來實(shí)現(xiàn)軸向與徑向的偏移，但由于彈性件彈性變化的極限，所允許的軸向與徑向偏移量非常小，這使得在同一塊電路板上安置的連接器不會(huì)超過三對(duì)。（2）第二代PCB 板間連接器為了解決這個(gè)問題，第二類板對(duì)板連接器應(yīng)運(yùn)而生，主要是3 段式的同軸連接器，這種解決方案還是基于同軸傳輸線原理，以中間的轉(zhuǎn)接桿的傾斜角度不同以及界面的間隙來克服PCB 之間的位置偏差。我們可以把這種連接器應(yīng)用稱之為：三段式硬連方案。優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸距離短，擺放密度高，可以實(shí)現(xiàn)盲插，拆裝簡(jiǎn)便，測(cè)試效率高，相對(duì)于電纜性能更為優(yōu)異，有利于產(chǎn)品的模塊化設(shè)計(jì)。如MMBX、SMP 系列，通過添加一個(gè)轉(zhuǎn)接頭作為中間連接器，采用三件套的方式，作為中間連接器的轉(zhuǎn)接頭可以相對(duì)于固定在電路板上的插座有微小的轉(zhuǎn)動(dòng)，從而允許一定的較大的徑向偏移。

MMBX 的中間轉(zhuǎn)接頭可以偏轉(zhuǎn)4.5 度，可實(shí)現(xiàn)的徑向偏移量根據(jù)中間轉(zhuǎn)接頭的實(shí)際長(zhǎng)度來定（L * sin4.5），而軸向浮動(dòng)量為+/-0.3mm。

可見，這類連接器只能允許有限容差，允許容差范圍很小，仍然需要精密的定位配合。

第一二代板間連接器如圖3 所示：

圖3 第一二代板間連接器

圖4 第三代板間連接器互連示意圖

（3）第三代PCB 板間連接器隨著設(shè)備的發(fā)展，同一塊電路板上的連接器對(duì)數(shù)越來越多，對(duì)連接器的軸向與徑向浮動(dòng)量要求也越來越高(第三代板間連接器互連示意圖如圖4 所示)，由此，新一代的板對(duì)板方案誕生：如PSMP, SMP-MAX，MBX 等（如圖5 所示），這類應(yīng)用通常應(yīng)用在頻率10GHz 以下，容差基本上滿足軸向和徑向都是+/-1mm 的使用環(huán)境。

SMP-MAX 作為新型板間連接方案，兩端插座分別為緊配端與松配端，而中間轉(zhuǎn)接頭2 頭對(duì)稱。應(yīng)用時(shí)，先將中間轉(zhuǎn)接頭與緊配端手工配合，緊配端設(shè)計(jì)有卡槽，保證轉(zhuǎn)接頭與其配合后較大的拔出力。同時(shí)在松配端設(shè)有較大的喇叭口，用于盲插導(dǎo)向，便于操作工在閉合上下模塊時(shí)能順利導(dǎo)入（當(dāng)然在上下模塊上設(shè)有導(dǎo)向柱可以幫助連接器的導(dǎo)入，防止花瓣槽的損壞）。配合之后，轉(zhuǎn)接頭可在松配端自由浮動(dòng)，根據(jù)上下模塊的實(shí)際工作距離來定。

圖5 SMP-MAX 系列、PSMP 系列、MBX 系列連接器

SMP-MAX 具有超大容差能力的板對(duì)板方案連接器，SMP-MAX 徑向偏轉(zhuǎn)角度3 度，軸向浮動(dòng)量達(dá)+/-1mm，甚至最高可達(dá)+/-1.2mm。連接界面采用獨(dú)特的阻抗匹配專利技術(shù)，即使板對(duì)板軸向達(dá)到最大容差連接器間出現(xiàn)大到2mm(0.78”)的空隙時(shí)，仍然可以達(dá)到很好的阻抗匹配，從而保證所有電器性能達(dá)標(biāo)。最大軸向容差甚至達(dá)到了SMP 的4 倍。徑向容差也有不俗表現(xiàn)，可以在整個(gè)工作頻段DC-6 GHz 范圍內(nèi)達(dá)到最大3°的傾角，同時(shí)在3GHz 內(nèi)達(dá)到VSWR 優(yōu)于1.2，最大功率達(dá)到165 瓦。

表1 PSMP 與SMA, QMA 連接器的比較

另一種大功率大容差的三段式連接器PSMP 如圖6：特性：①應(yīng)用頻率達(dá)到10GHz；②額定功率達(dá)到200W 在2.2GHz；③板間距最小12.6mm；④容差：軸向+/- 1mm, 徑向4°；⑤直角彎頭連接器應(yīng)用于電纜組件。可見，PSMP 結(jié)合了SMA, QMA, SMP 的優(yōu)點(diǎn)，提供了良好的電氣、機(jī)械性能和大的容差，見表1。

典型的RRH 中板間連接器的應(yīng)用，功放與濾波器之間的連接采用三段式PSMP 連接器，功放板上連接器有屏蔽簧片，在2GHz 頻率下，屏蔽效能可以大于60dB。如圖6 所示：

圖6 典型的RRH 中PSMP 連接器的應(yīng)用

2.3 PCB 板與模塊間的射頻互連設(shè)計(jì)在RRH,有源電線中，從PCB 到濾波器、天線等模塊間射頻互連，除了可以用上述板間三段式連接器外，也可以用硬連接形式來實(shí)現(xiàn)，以降低成本，提高靈活性。如圖7 所示：

圖7 兩種專利硬連接設(shè)計(jì)

2.4 共面PCB 板間的射頻互連設(shè)計(jì)

在三段式的應(yīng)用上，有連接器廠家提出了一些想法：空間是否能更緊湊些，成本是否更低。針對(duì)這些想法他們做了一些嘗試，發(fā)現(xiàn)在犧牲一定射頻性能，同時(shí)板間距離又是非常小的情況下，可以用簧片來傳輸射頻信號(hào)，同時(shí)具有一定的容差能力，成本比三段式節(jié)省2/3，在低成本的模式下，同一個(gè)連接器可以用來傳輸射頻，數(shù)字，電源，在一定程度上可以說他是一個(gè)通用連接器。H 公司的橋式連接器及應(yīng)用如圖8 所示：

圖8 H 公司的橋式連接器及應(yīng)用

橋式連接器與一般板對(duì)板三段式連接器的性能對(duì)比見表2。

表2 橋式連接器與板對(duì)板連接器的性能對(duì)比

簧片連接器應(yīng)用性能要求：◆Electrical（電氣性能）·Frequency Range: DC-4 GHz·Return Loss: 20 dB Max·Power: 80 W at 2 GHz (125C Max Ground Plane)·30 W at 4 GHz (125C Max Ground Plane)·Isolation (for reference):·5 Position: 31.9 dB @ 2 GHz, 26.2 dB @ 4 GHz·7 Position: 47.8 dB @ 2 GHz, 41.4 dB @ 4 GHz·8 Position: 116.6 dB @ 2 GHz, 106.2 dB @ 4 GHz·Insertion Loss: 0.25 dB Max @ 2 GHz,·0.6 dB Max @ 4 GHz◆Mechanical Misalignment（結(jié)構(gòu)容差）·x axis: +/- 0.5mm mated float·x axis: +/- 0.8 mm gathering

·y axis: +/- 0.5 mm mated float·z axis: +/- 0.5 mm mated float◆Environment（環(huán)境性能）·Max Ambient Temperature: 55°C·Max Ground Temperature: 125°CA 公司對(duì)簧片結(jié)構(gòu)互聯(lián)連接器做了回?fù)p，隔離，插損的仿真，并對(duì)單通道樣品做了絕緣耐壓、結(jié)合力、脫離力、中心導(dǎo)體保持力、引腳拉力、插拔循環(huán)、震動(dòng)、接觸電阻、絕緣電阻、電壓駐波比VSWR、特性阻抗、插損等各項(xiàng)性能的實(shí)際測(cè)試，得出測(cè)試結(jié)論：產(chǎn)品設(shè)計(jì)基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求，性能還有進(jìn)一步優(yōu)化空間，產(chǎn)品具有實(shí)際意義，可以在PCB 共面以及10mm 以下平行板場(chǎng)合使用。產(chǎn)品的穩(wěn)定性有待于后續(xù)小批量的驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)樣品如圖9 所示：

圖9 A 公司的新型簧片結(jié)構(gòu)連接器和單通道和多通道的實(shí)驗(yàn)樣品

3 結(jié)束語隨著近幾年4G 基站的廣泛部署，小型有源天線，小基站等設(shè)備的應(yīng)用，市場(chǎng)要求無線基站模塊如RRH的體積越來越小，結(jié)構(gòu)越來越緊湊，因此應(yīng)用性能可靠，體積小，容差大，并且性價(jià)比高的板間連接器成為各通訊設(shè)備廠家研發(fā)工程師的共識(shí)。根據(jù)設(shè)備的具體設(shè)計(jì)要求，PCB 板的排布形式，射頻信號(hào)的傳輸要求，選擇好合適的平行板間板對(duì)板連接器，共面板間的橋式連接器等，對(duì)無線設(shè)備研發(fā)的幫助非常大。在RRH,有源天線，小基站等的設(shè)計(jì)中，可按以下方法選擇：（1）產(chǎn)品體積小，PCB 板間距小，對(duì)容差要求不高，可選用MMBX 系列等類似連接器，其最小板間距為6.7mm。

（2）產(chǎn)品體積較大，PCB 板間距大于約13mm，對(duì)容差要求較高，可選用PSMP, SMP-MAX, MBX 等系列連接器。

（3）對(duì)于共面板，可選用橋式連接器，新型簧片連接器等，可同時(shí)傳輸射頻、電源、數(shù)字信號(hào)。（4）對(duì)于PCB 到濾波器，天線等模塊的射頻連接，除了可使用上述1,2 連接器以外，也可以根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)選用硬連接形式以降低成本，提高靈活性。

我們通訊設(shè)備研發(fā)工程師也可以和連接器供應(yīng)商共同探討，協(xié)作連接器供應(yīng)商根據(jù)不同的需求研制出新的靈活性高的產(chǎn)品以適應(yīng)不同的市場(chǎng)需求。