快插低互調(diào)射頻連接器設(shè)計與實現(xiàn)

摘要: 本文基于隨著通信市場模塊化、小型化、低互調(diào)、高效率的發(fā)展趨勢，重點討論了通信設(shè)備內(nèi)模塊與設(shè)備外模塊的連接器設(shè)計與實現(xiàn)，主要討論如何實現(xiàn)快插連接器的低互調(diào)以及降低電磁泄漏，介紹了母端連接器采用劈6 槽的接觸主體與公端腔體側(cè)壁力接觸實現(xiàn)低互調(diào)的指標(biāo)，以及采用C 型環(huán)填充公母端外導(dǎo)體之間的間隙實現(xiàn)較低電磁泄漏，通過HFSS 電磁仿真軟件對VSWR 以及電磁泄漏進(jìn)行仿真模擬，最后分析測試結(jié)果，并總結(jié)實際產(chǎn)品的問題以及后續(xù)改善的空間。

1、引言

從目前市場分析，隨著移動通信技術(shù)的迅猛發(fā)展，高效率和能適應(yīng)多種系統(tǒng)的射頻連接器，已成為當(dāng)前國內(nèi)外重要研究課題。另外，城鎮(zhèn)化不斷發(fā)展，站址資源的稀缺，同時人們對高質(zhì)量網(wǎng)絡(luò)要求越來越高，促使連接器朝著輕便快捷的操作方式、小型化、寬頻化的方向發(fā)展，而且隨著集成化程度提高，各種通信模塊逐步形成標(biāo)準(zhǔn)模塊，這些模塊在終端通信設(shè)備廠家可自由進(jìn)行模塊與模塊的連接; 以及模塊與通信設(shè)備外模塊的連接。目前，市場上普遍存的通信設(shè)備箱內(nèi)模塊與設(shè)備箱外的模塊之間的連接依然采用的是通過一根射頻線纜組件完成內(nèi)外的連接^[5]，如圖( 1－a) 。因為設(shè)備箱內(nèi)的模塊與設(shè)備箱外的模塊的連接，不但要求較高的互調(diào)指標(biāo)而且需要較低的電磁泄漏指標(biāo)，設(shè)備外部的連接端口也需要很強的耐候性。本文重點研究了設(shè)備箱內(nèi)的模塊與設(shè)備箱外的模塊的連接方式，即將原本采用的射頻線纜組件壓縮成一對單獨的連接器，采用快插的方式實現(xiàn)通信模塊與通信箱外的端口連接，如( 圖1－b) 。該方案壓縮了設(shè)備箱體的空間，便于通信設(shè)備的小型化，同時進(jìn)一步提高了通信模塊標(biāo)準(zhǔn)化。

圖1－a、常見的端口連接方式

圖1－b、快插端口連接方式

2、射頻連接器的設(shè)計基本概念

2.1、特性阻抗

射頻連接器最基本的要求是跟傳輸線的特性阻抗相匹配，對于均勻同軸傳輸線，在理想導(dǎo)體條件下的特性阻抗公式為^[1]:

(1)

式中，ε_r為介質(zhì)介電常數(shù); D 為外導(dǎo)體內(nèi)徑; d為內(nèi)導(dǎo)體外徑^[2]。

2.2、無源互調(diào)

無源互調(diào)( Passive Inter－Modulation，PIM) 是由發(fā)射系統(tǒng)中各種無源器件的非線性特性引起的。在大功率、多信道系統(tǒng)中，這些無源器件的非線性會產(chǎn)生相對于工作頻率的更高次諧波，這些諧波與工作頻率混合會產(chǎn)生一組新的頻率，其最終結(jié)果就是在空中產(chǎn)生一組無用的頻譜從而影響正常的通信。所有的無源器件都會產(chǎn)生互調(diào)失真。無源互調(diào)產(chǎn)生的原因很多，如機械接觸的不可靠、虛焊和表面氧化等。隨著移動通信系統(tǒng)新頻率的不斷規(guī)劃、更大功率發(fā)射機的應(yīng)用和接收機靈敏度的不斷提高，無源互調(diào)產(chǎn)生的系統(tǒng)干擾日益嚴(yán)重，因此越來越被運營商、系統(tǒng)制造商和器件制造商所關(guān)注。無源互調(diào)有絕對值和相對值兩種表達(dá)方式。絕對值表達(dá)方式是指以dBm 為單位的無源互調(diào)的絕對值大小; 相對值表達(dá)方式是指無源互調(diào)值與其中一個載頻的比值( 這是因為無源器件的互調(diào)失真與載頻功率的大小有關(guān)) ，用dBc 來表示。典型的無源互調(diào)指標(biāo)是在兩個43dBm 的載頻功率同時作用到被測器件DUT 時，DUT 產(chǎn)生－100dBm( 絕對值) 的無源互調(diào)失真，其相對值為－143dBc。^[4]

3、產(chǎn)品設(shè)計與實現(xiàn)

根據(jù)目前市場普遍存在的模塊結(jié)構(gòu)以及外箱結(jié)構(gòu)，本文采用面板鎖緊，002 產(chǎn)品與通信模塊在成模塊廠內(nèi)完成組裝測試，001 連接則通過連接器廠家完成組裝測試，最終通信模塊在終端通信廠家采用001 快插連接器完成與通信模塊組裝測試，有利完成通信模塊的標(biāo)準(zhǔn)化以及集成化和小型化，同時第4 期吳文進(jìn)等: 快插低互調(diào)射頻連接器設(shè)計與實現(xiàn)7簡化了終端通信廠家的單獨模塊的組裝測試，有效的提高通信設(shè)備的效率以及小型化。本文根據(jù)公式1 計算出內(nèi)導(dǎo)體結(jié)構(gòu)尺寸為:

內(nèi)導(dǎo)體2.12mm，外導(dǎo)體7.0mm，絕緣體采用介電常數(shù)為2.05 的PTFE。

為了有效提高無源互調(diào)指標(biāo)值，002 連接器采用劈6 槽的接觸主體，使其有效的001 的主體在插拔時，其有效與001 主體存在側(cè)向接觸力，可有效提高無源互調(diào)指標(biāo)值。設(shè)計方案如圖2 所示。

圖2、設(shè)計方案示意圖

圖3－a、HFSS 仿真軟件建立模型

圖3－b、電壓駐波比仿真結(jié)果

采用HFSS 仿真軟件建立模型^[3]，如圖3－a。其電壓駐波比仿真結(jié)果如圖3－b，其電磁場仿真結(jié)果見圖4。

圖4、電磁場仿真結(jié)果

根據(jù)仿真結(jié)果分析，電壓駐波比6GHz 最大1.06，完全可以滿足通信模塊的電壓駐波比指標(biāo)值。但是，電磁泄漏仿真在劈槽主體的連接器處有較大的電磁泄漏出現(xiàn)，無法滿足通信模塊的使用場景。為了滿足在不影響較大盲插配合的情況下降低電磁泄漏，需充分降低連接時連接主體間的間隙，則需要采用柔性的配合結(jié)構(gòu)，本文采用在連接主體間隙內(nèi)增加一個C 型卡環(huán)，充分地填充了公母端配合時主體間的間隙，且不影響盲插配合。

4、測試結(jié)果及分析

分別對8 組通道同時測試無源三階互調(diào)，如圖( 5－a)。測試結(jié)果全頻段( 0 ～3GHz) 均小于－115dBm;通常此類板對板盲插的連接器僅僅滿足頻段( 0 ～3GHz)均小于－85dBm。該連接器的無源互調(diào)指標(biāo)值遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)越于目前市場存在的板到板盲插連接器，并分別測試其電磁泄漏值，如圖( 5－b) 結(jié)果均小于－100dB( 0 ～3GHz) ，也優(yōu)于與目前該類產(chǎn)品的指標(biāo)值(－75dB)。

圖5－a、無源三階互調(diào)測試

圖5－b、電磁泄漏測試

5、結(jié)束語

該連接器通過公母端配合時，其外導(dǎo)體內(nèi)壁存在側(cè)向力接觸，實現(xiàn)了低互調(diào)指標(biāo)。通過C 型環(huán)結(jié)構(gòu)的加入，在不影響大容差情況下，實現(xiàn)了電磁低泄漏。同時在標(biāo)準(zhǔn)化、集成化、高頻化的今天，能夠有效地滿足設(shè)備箱內(nèi)模塊與設(shè)備箱外模塊盲插，并且有著穩(wěn)定的無源互調(diào)指標(biāo)的連接器將會越來越受青睞，但本文設(shè)計的連接器在長期可靠性的驗證方面還需長期考驗，還有一些未知的因素可能會帶來產(chǎn)品性能的惡化，還需要長期追蹤驗證。