1 通訊設備中印制板間的位置關系和傳統(tǒng)互連形式

統(tǒng)的射頻信號跨板之間的傳輸是通過射頻電纜組件的架設來實現(xiàn)的。它的優(yōu)點是：互聯(lián)比較靈活，選擇范圍大；缺點是：成本高，傳輸距離大，空間要求高，安裝復雜。隨著無線通信應用對設備體積日益緊湊的要求越來越普遍，設備的小型化輕量化趨勢越來越明顯，設備尺寸的不斷減小要求設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前端RRH(remote radio head)，為了使其能被簡單、方便而且可靠的安裝在塔頂以及城市密集環(huán)境之中，其設計必須非常緊湊，要盡力控制其尺寸，這就要求承載其射頻信號傳輸?shù)耐S互連系統(tǒng)也必須更加簡潔緊湊。傳統(tǒng)繁雜的電纜組件連接正在被簡單、緊湊、可靠、同時可承載超過100W 射頻信號功率的“板對板”同軸連接器連接所取代。實際設計中對板對板連接器的要求也越來越高，對內(nèi)部射頻互聯(lián)部分就有了新的需求。

設備中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計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)展出對應的一系列產(chǎn)品，而參照低頻連接器的應用，射頻連接器也需要對應的連接方式，這樣才是一個完整的包括電源，數(shù)字，射頻等不同要求的傳輸應用。同時還能實現(xiàn)混裝的高密度布局。但射頻信號對使用環(huán)境的要求要比低頻信號的要求高不少，同時由于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，在這個前提下我們又要保證插損IL，回損RL，隔離Isolation 等射頻的基本指標，所以我們需要對傳統(tǒng)射頻連接器進行優(yōu)化來克服這些難點。

連接器尺寸的不斷變小帶來的在機械結(jié)構(gòu)設計方面的挑戰(zhàn)主要有兩個方面：一是相對于大尺寸連接器，小尺寸連接器更難配合對準。二是小尺寸連接器機械強度低，如使用不當則較易損壞。一般大尺寸連接器能夠承受在配合時使用較大的機械力量不至損壞，但小型連接器在配合時則需要更準確一些。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有角度偏差。（3）軸向容差表示針與座未到底配合。對于射頻連接器，如無特殊設計，這種未到底配合會造成阻抗失配，帶來信號反射和駐波(VSWR)變大。

另外一個重要的機械指標是盲插范圍，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，但一般來說都遠大于工作容差角度。

很明顯，連接器配合時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”設計來導入連接。盲插配合使連接器的設計從功能層面提高到了用戶友好層面，設計不僅要考慮使連接器達到有效的信號傳輸功能，還要易于插拔使用。

2.2 幾類PCB 板間連接器的設計及機械電氣性能（1）第一代PCB 板間連接器目前逐步推廣的板對板射頻解決方案，傳統(tǒng)的小型射頻“板對板”同軸連接器，如MCX，不允許任何容差，特別是板對板軸向距離容差。而SMB 系列，一對公母連接器配合，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超過三對。（2）第二代PCB 板間連接器為了解決這個問題，第二類板對板連接器應運而生，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用稱之為：三段式硬連方案。優(yōu)點：結(jié)構(gòu)緊湊，傳輸距離短，擺放密度高，可以實現(xiàn)盲插，拆裝簡便，測試效率高，相對于電纜性能更為優(yōu)異，有利于產(chǎn)品的模塊化設計。如MMBX、SMP 系列，通過添加一個轉(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)接頭可以相對于固定在電路板上的插座有微小的轉(zhuǎn)動，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，可實現(xiàn)的徑向偏移量根據(jù)中間轉(zhuǎn)接頭的實際長度來定（L * sin4.5），而軸向浮動量為+/-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 板間連接器隨著設備的發(fā)展，同一塊電路板上的連接器對數(shù)越來越多，對連接器的軸向與徑向浮動量要求也越來越高(第三代板間連接器互連示意圖如圖4 所示)，由此，新一代的板對板方案誕生：如PSMP, SMP-MAX，MBX 等（如圖5 所示），這類應用通常應用在頻率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 頭對稱。應用時，先將中間轉(zhuǎn)接頭與緊配端手工配合，緊配端設計有卡槽，保證轉(zhuǎn)接頭與其配合后較大的拔出力。同時在松配端設有較大的喇叭口，用于盲插導向，便于操作工在閉合上下模塊時能順利導入（當然在上下模塊上設有導向柱可以幫助連接器的導入，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，根據(jù)上下模塊的實際工作距離來定。

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板方案連接器，SMP-MAX 徑向偏轉(zhuǎn)角度3 度，軸向浮動量達+/-1mm，甚至最高可達+/-1.2mm。連接界面采用獨特的阻抗匹配專利技術(shù)，即使板對板軸向達到最大容差連接器間出現(xiàn)大到2mm(0.78”)的空隙時，仍然可以達到很好的阻抗匹配，從而保證所有電器性能達標。最大軸向容差甚至達到了SMP 的4 倍。徑向容差也有不俗表現(xiàn)，可以在整個工作頻段DC-6 GHz 范圍內(nèi)達到最大3°的傾角，同時在3GHz 內(nèi)達到VSWR 優(yōu)于1.2，最大功率達到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應用頻率達到10GHz；②額定功率達到200W 在2.2GHz；③板間距最小12.6mm；④容差：軸向+/- 1mm, 徑向4°；⑤直角彎頭連接器應用于電纜組件?？梢?，PSMP 結(jié)合了SMA, QMA, SMP 的優(yōu)點，提供了良好的電氣、機械性能和大的容差，見表1。

典型的RRH 中板間連接器的應用，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 連接器的應用

2.3 PCB 板與模塊間的射頻互連設計在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 兩種專利硬連接設計

2.4 共面PCB 板間的射頻互連設計

在三段式的應用上，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，同時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通用連接器。H 公司的橋式連接器及應用如圖8 所示：

圖8 H 公司的橋式連接器及應用

橋式連接器與一般板對板三段式連接器的性能對比見表2。

表2 橋式連接器與板對板連接器的性能對比

簧片連接器應用性能要求：◆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 公司對簧片結(jié)構(gòu)互聯(lián)連接器做了回損，隔離，插損的仿真，并對單通道樣品做了絕緣耐壓、結(jié)合力、脫離力、中心導體保持力、引腳拉力、插拔循環(huán)、震動、接觸電阻、絕緣電阻、電壓駐波比VSWR、特性阻抗、插損等各項性能的實際測試，得出測試結(jié)論：產(chǎn)品設計基本達到設計要求，性能還有進一步優(yōu)化空間，產(chǎn)品具有實際意義，可以在PCB 共面以及10mm 以下平行板場合使用。產(chǎn)品的穩(wěn)定性有待于后續(xù)小批量的驗證，實驗樣品如圖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驗樣品

3 結(jié)束語隨著近幾年4G 基站的廣泛部署，小型有源天線，小基站等設備的應用，市場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，因此應用性能可靠，體積小，容差大，并且性價比高的板間連接器成為各通訊設備廠家研發(fā)工程師的共識。根據(jù)設備的具體設計要求，PCB 板的排布形式，射頻信號的傳輸要求，選擇好合適的平行板間板對板連接器，共面板間的橋式連接器等，對無線設備研發(fā)的幫助非常大。在RRH,有源天線，小基站等的設計中，可按以下方法選擇：（1）產(chǎn)品體積小，PCB 板間距小，對容差要求不高，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，對容差要求較高，可選用PSMP, SMP-MAX, MBX 等系列連接器。

（3）對于共面板，可選用橋式連接器，新型簧片連接器等，可同時傳輸射頻、電源、數(shù)字信號。（4）對于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)實際設計選用硬連接形式以降低成本，提高靈活性。

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