第四讲,通信连接器应用案例
中心议题：
- 通信连接器的两种类型
- 通信连接器的发展变化
- 连接器在有线系统中的应用
- 连接器在无线通信系统中的应用
- 连接器的信号完整性设计
本讲从通信连接器的两种主要产品类型（光纤连接器和电连接器件）入手，介绍了通信连接器产品的发展变化，透过通信连接器在有线系统和在无线通信系统中的应用实例，解答工程师在通信连接器应用方面的难题，最后介绍了通信连接器的模型分析情况，并给出了通信连接器有关信号完整性的几点建议。
通信连接器属于网络传输介质互联设备，所采用的连接器性能可能影响整个通信系统。目前，通信连接器产品的型号和标准很多，其中主要包括光纤连接器和电连接器件。随着应用对象、频率、功率和应用环境等的不同，需要各种不同形式的通信连接器。在进行通信连接器的选择时，应根据自己的实际情况，选择适用的连接器：需要熟悉和了解各种连接器的性能，考虑网络向高速网络升级时的建设成本和硬件升级等问题，提出接口要求；并综合考虑连接器的性能、价格和发展。
在光纤通信链路中，为了实现不同模块。设备和系统之间灵活连接的需要，必须有一种能在光纤与光纤之间进行可拆卸(活动)连接的器件，使光路能按所需的通道进行传输，以实现和完成预定或期望的目的和要求，能实现这种功能的器件就叫光纤连接器。光纤连接器就是把光纤的两个端面精密对接起来，以使发射光纤输出的光能量能最大限度地耦合到接收光纤中去，并使由于其介入光链路而对系统造成的影响减到最小。在一定程度上，光纤连接器也影响了光传输系统的可靠性和各项性能。
详细的光纤连接器了解，请参考光纤连接器原理分类及应用
通信中的电连接器使电流在电路内被阻断处或孤立不通的电路可以流通，使电路实现预定的功能。有些连接器被做成普通插座的形式，在线缆工业中得到广泛认可和使用。通信网络的连接往往取决于所用的媒体，所以，通常是按不同的连接介质、连接方式和应用场合来讨论连接器的，通常包括多线电缆连接器、双绞线连接器和同轴电缆连接器。其中多线电缆连接器包括DB连接器和DIX连接器以及DIN连接器等；双绞线连接包括RJ45和RJ11；同轴电缆连接器包括T连接头和BNC连接器及终端电阻。而其中广泛应用的射频同轴连接器从连接类型来分又分为螺纹连接型、卡口连接型和直插推连接型。
详细的通信中电连接器了解，请参考通信电连接器的分类及应用
无论是光纤连接器还是电连接器件，都在不断向前发展，下面是对这两种通信连接器发展情况的一个小结。
通信连接器的发展变化
受我国通信产业快速增长的影响，射频连接器市场出现了前所未有的发展势头。随着电信行业的发展，从最初只是语音的应用，发展到现在有了移动互联网和移动电视等应用，对数据传输率的要求越来越高。为了传输更高的速率，光纤开始替代传统的铜缆，尤其是在RRH方面开始采用光纤进行连接，不仅大大提高了长距离大容量的传输速率，同时成本相对铜轴电缆也会降低。随着光纤在通信基础设施的应用，光纤连接器的需求逐步增加。
伴随着无线通讯技术的不断发展，“板对板”同轴连接器在无线系统模块互联中的应用越来越广泛，如：通信基站、RRH、直放站、GPS设备以及其它类似应用等。最初，射频模块板间主要依靠电缆组件进行连接，但是，随着产品小型化，部件之间的连接越来越紧凑，电缆组件已无法满足要求，板对板连接器因此应运而出，同时从有限容差向大容差方向发展。
在电子互连元器件领域，金属是非再生的原材料，而合成材料可以循环使用，在大量生产时合成材料比金属材料更具成本优势。合成材料相对金属重量大幅降低，对设备厂商来说，重量减轻，运输成本也相应降低。另外，合成材料在抗腐蚀性方面的性能也非常好，相比金属材料更能适应严苛的室外环境。通信连接器对合成材料的采用可能成为一个趋势。
随着近两年外资企业也开始将研发基地逐步向中国迁移，中国将成为电信业最核心的市场。下面针对其中的通信市场，分别列举出连接器在有线系统和在无线通信系统中的应用实例。
连接器在有线系统中的应用
图1 PSTN网交换机
图1所示为一个PSTN网的交换机，该交换机由7个部分组成。除了机箱尺寸的区别，机箱底部是一个机架的管理模块，它包括管理模块、传输背板和传输模块。最前面有子板、载板、电源板，以及风冷系统、电扇托板。在交换机中，它的主要载板就是电话信息的传输以及输入/输出的连接，输入/输出系统所组成的只有很少的电脑板以及信令控制板。
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任何网络都需要连通性，以便把单个设备组合成一个网络系统。现今网络中，连接器扮演重要角色：首先，它能把单个设备进行电连接，形成更大的网络系统；另一方面，如今都采用标准化的互联，使不同公司制造的设备能相互连接在一起工作，从而在某个街区构建成一个网络，以满足商业或社区的需求。
因此，在有线通信系统中，连接器的作用主要有三个方面：首先，能在单个设备内的电路板和单个电元件间实现电连接；第二，如果采用标准化的互联，就能使不同公司制造的设备相互连接在一起工作，从而在某个街区构建成一个网络，以满足商业或社区的需求；第三，通过设计达到可靠的功能，以承受已知的工作环境和设备服务期内的工作强度。
针对有线通信系统对连接器的要求，在设计时要考虑如下几个方面：
• 镀金接触界面，用于保证更高的耐磨性和良好的电特性；
• 冗余的接触界面，保证高可靠性；
• 可选择气密性连接或PCB焊接；
• 壳体外部特征要便于插入时导正和导向；
• 用不同的插针高度保证信号和接地的先后连接顺序；
• 大功率电源要用特殊的端子，和信号的接触端子要有所区别；
• 要保证EMI特性和机箱接地。
图2 连接系统中典型的背板连接器的设计
图2是典型的连接系统中背板连接器的设计。它可以提供三种端子长度，即接地端子、信号1端子、信号2端子三个端子的长度是不同的。这是为了保证插座和插针在互相连接的时候，如果接反了，就无法插入。第二个是中间部分，它是用于安装维修用的，整个插针板在插入的过程中，可以用来导向，甚至可以保证编码和极性的正确。外壁用来保护端子和连接器的导向，这个端子就是插针部分，采用柔性插针。从右半部分图中可以看到，外壳被拆除后，更清楚地显示出了接触面。它采用了双柱冗余的接触面设计，这样可以大大提高接触的可靠性。
连接器在无线通信系统中的应用
图3 典型的无线通信系统的基站内部互联
图 3表示的是典型的无线通信系统的基站内部互联，以及它所需要的各种各样的电子连接器。从图中可以看出，左边基站所要求的都是射频连接器，右边表示的是电源连接器、背板连接器、输入/输出连接器和印制电路板连接器。
图4 基站控制器、移动交换网络和网关支持节点之间的典型互联
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图4表示的是基站控制器、移动交换网络和网关支持节点之间的典型互联。这些互联也用到了多种连接器。
移动手机用的开关式同轴连接器主要用于提供手机内的天线和汽车外部天线之间的信号的切换。这种开关式的连接器，它的表面安装有三种高度，分别是3.5mm、4.5mm和6.0mm。表面安装开关式连接器直接和手机天线连接。由于功率元件和天线或开关间距离短，因此内部没有电缆，信号传输非常好。它的性能指标如下：
• 工作频率：高达2.4GHz
• 标准阻抗：50欧姆
• VSWR：1GHz时为1.15:1；2GHz时小于1.20:1
• 插入损耗：2GHz时最大为-0.30dB
• 使用寿命：30,000 次
• 温度范围：-40℃到+85℃
无线通信系统中所采用的电源连接器（图5）的种类包括一体化背板电源系统、子板/堆叠用连接器、信号母线到板之间的连接器、板到板的电源连接器、电源到电缆/电缆到印刷板连接器、微处理器所用电源连接器以及电源输入所用连接器。
图5 无线通信系统的电源连接器
通信连接器无论是在有线系统和还是在无线通信系统的应用中，其连接器的信号完整性都显得非常重要，下面是有关连接器信号完整性的相关介绍。
连接器的信号完整性设计
连接器在进行信号完整性设计时，需要考虑：1、与整个互联传输线阻抗的连续性；2、连接器各插针间的串扰；3、有时序要求，要考虑连接器上的延时。连接器的分析方法与一般的信号分析方法基本一样，都是利用仿真软件进行仿真，并对结果进行分析，得出结论。
连接器的模型分析和电路的模型分析是一样的，只是要注意连接器和过孔效应的精确建模、仿真对于预测信号质量非常重要。
模型分析有五种情况：
• 多线模型 (MLM)： 适用于多插针连接器，包括接触元件、接触与接触间耦合、接触和屏蔽间耦合、焊盘间耦合等。除了SLM模拟的参数外，还能用来模拟串扰和地弹等。
• 单线模型 (SLM)： 适用于连接器中的单线，如高速信号传输线，可以用来模拟反射、时延和偏移、衰减以及信号传输质量。
• S参数模型：主要应用于频域，可模拟吞吐量和串扰，通过时域变换，可产生阻抗、串扰、传输时延和眼图等。
• IBIS模型：是一种基于V/I曲线的对I/O BUFFER快速准确建模的方法，支持所有类型的连接器和多种不同连接器建模，如差分和不平衡信令、SLM(无耦合)、MLM(耦合)、模型级联、板到板以及板到电缆等。
• SPICE模型：是最为普遍的电路级模拟程序，被分析的电路中的元件可包括电阻、电容、电感、互感、独立电压源、独立电流源、各种线性受控源、传输线以及有源半导体器件。
信号完整性是贯穿于高速数字电路设计中的最重要的问题之一，在此列出几点建议：
• 对灵敏元件实施对噪声器件的物理隔离；
• 阻抗控制、反射和信号终端匹配；
• 用连续的电源和地平面层；
• 布线中尽量避免采用直角；
• 差分对布线长度要相等，以保证在接收端良好的抑制比；
• 高速电路设计中应考虑串扰问题，包括近端串扰和远端串扰；
• 电源退耦问题，也就是说加在电路上的电源一定要通过电感电容的退耦。
