一种板到板射频连接器的设计

李旗祥

(四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000)



一种板到板射频连接器的设计

李旗祥

(四川华丰企业集团有限公司，四川绵阳，621000)

摘要：小型化通信设备中的板到板射频通道一般采用连接器直接连接方式。为满足多通道射频连接器的顺利插合、分离并保证良好的传输性能，需要在满足轴向、径向不对准情况下顺利连接且具有良好电性能的板到板射频连接器，本文将介绍一种板到板射频连接器的设计。

关键词：板到板；小型化；轴向；径向下对准；阻抗互补

1引言

随着无线通信设备小型化的发展，由于安装空间及距离的减小，一些基站设备中板(注：印制版)到板的射频传输需要直接使用连接器，而非传统的射频跳线方式。要实现板到板多通道射频连接器传输，需要连接器在满足较大的轴向、径向不对准情况下，具有良好的电性能。

本文介绍一种具有良好电性能的板到板射频连接器方案(ZL201320320894.3)。

2射频连接器设计原则

射频同轴连接器设计的根本原则就是在尽可能宽的频率范围内保证尽可能高的传输性能。

a)传输线上各点的特性阻抗尽可能保持一致

在射频同轴连接器中，由于内外导体间有绝缘支撑的缘故，在结构上就不可避免地在绝缘支撑处引入台阶结构，为了在较宽的频带范围内保证尽可能高的传输性能，需要各断的特性阻抗尽可能与系统阻抗保持一致。否则，在阻抗不一致的地方将形成反射，使得射频信号无法完整无失真的从入射端传输到接收端，如下图所示。

图1　阻抗不一致反射图示

b)对无法避免的电连续性变化进行共面补偿

在实际工程应用中，电连续性的变化总是不可避免的。但根据传输线理论可以找到一定的方法来补偿这种连续性的变化。例如，绝缘支撑处必将对内外导体进行挖槽形成绝缘支撑的定位台阶，微波传输过程中在此台阶处就会形成一个不连续电容，我们为了补偿这个不连续电容的影响就需要在此处设计出一个高电感予以补偿，常用的方法是在绝缘支撑的径向表面挖槽，根据不连续电容的大小确定挖槽的深度。

可以先对内外导体的定位槽深度进行设计，找出性能最好的尺寸组合，使电连续性变化最小，然后再根据位置采用绝缘支撑两面均开槽的方式对两边的台阶分别进行电感补偿，以最大限度降低不连续电容的影响。

图2　共面补偿结构图示

c)尽量减小公差偏移给电气性能带来的影响。

射频同轴连接器的各个零件在加工过程中不可避免地会有制造误差，而对加工制造加以约束的尺寸公差在设计过程中就会确定。即使零件都符合公差要求，但因为多个零件装配后公差叠加后出现公差不在范围内的情况。所以在设计过程中，涉及到传输性能的重要尺寸一定要尽量少地受到综合公差的影响。

3板到板射频连接器的研制

3.1　主要性能指标要求

板到板射频同轴连接器性能指标见表1所示。

表1　射频同轴连接器各项性能指标

3.2　结构设计与分析

要满足板到板轴向较大的综合误差，板到板射频连接器必须具备轴向容差的包容性。也即是说，在插合界面部分留出足够的间隙来保证轴向不对准容差。界面处间隙的出现和间隙大小随插合状态的变化，将导致特性阻抗的一致性发生变化，根据上述射频连接器设计原则第一条的要求，阻抗的不连续变化势必会影响产品的电性能指标。

为了在轴向不对准间隙容差的情况下保证产品的电性能指标，在较低的频段内(一般不大于6GHz),可以采用阻抗互补的方式实现良好的电性能要求。阻抗互补是通过不同区域段阻抗相互综合，使得这一传输段内的平均阻抗接近系统特性阻抗(50Ω)的一种设计方法，如图3所示。

图3　板到板射频连接器图示

一般来说，该板到板连接器包括两个印制板插座和一个中间转接器。其中，一个插座为锁紧端，外壳内壁有槽，转接器与该插座分离力较大；另外一个插座为滑动端，壳体具有较大的导向设计，保证转接器在一定范围不对准情况下实现顺利插合；中间转接器与两个印制板插座相插合，内、外弹性接触件设计保证了不对准包容性的实现和接触的可靠性。

在图3中，A-A、C-C区域为低阻抗区域，B-B、D-D区域为高阻抗区域，经过反复调整和优化，最终确定满足轴向±1mm容差情况下获得较好电性能的各区域阻抗值。

利用HFSS仿真优化分析曲线之一如图4。从仿真曲线来看，在6GHz以内，驻波比不大于1.13，能满足设计要求。

图4　电压驻波比仿真优化分析图

如图5所示，插孔直径大于插针直径(单边间隙△1)，插孔为切槽弹性接触件，通过收口、热处理工艺来保证其弹性。同时，在保证接触界面间隙最大时插针与插孔能实现可靠接触的前提下，尽量减小插针插入插孔的长度L。这样，插针与插孔之间就能够保证转接器在偏斜±3°情况下，避免插针与插孔之间形成硬干涉。同样，中间转接器的外接触件为开槽的弹性接触件，转接器弹性接触件的外径与插座外壳的内径之间留出间隙(单边间隙△2)，保证转接器在偏斜3°情况下，转接器外接触件外径与印制板插座外接触件内孔之间不会形成硬干涉。另外，印制板插座外壳口部设计有碗口型导向锥度(单边导向宽度尺寸H)，保证转接器能顺利插入插座。

图5　径向容差结构示意图

3.3　实物测试情况

根据上述思路设计的产品实物经过测试，其电性能指标满足预定的要求。采用网络分析进行样品的实际检测，平均特性阻抗符合50Ω的要求，见图6。图7、图8分别是电压驻波比、插入损耗的测试曲线图。从测试情况来看，电压驻波在6GHz内比不大于1.25，插入损耗不大于0.15dB，满足设计要求。

从测试结果来看，电压驻波在DC～3GHz内比不大于1.15。电压驻波在3GHz～6GHz内比不大于1.25，满足设计要求。

图6　平均特性阻抗测试图

图7　电压驻波比测试图

图8　插入损耗测试图

从测试结果来看，插入损耗最大值不超过0.15dB，满足设计不大于0.35dB要求。

4结束语

本文采用的阻抗互补性设计结构能够实现板到板射频连接器满足较大径向、轴向不对准容差情况下，满足良好电性能指标的要求。

参考文献：

[1]射频连接器集中设计参考资料，1972年.

[2]射频连接器设计及论文汇编，主编：吴正平.

中图分类号：TN784

文献标识码：A

文章编号：1000-6133(2015)02-0017-03

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2015.02.004

收稿日期：2015-02-11