新一代简单可靠的射频“板对板”同轴连接器

中心议题：

• 三种不同的配合容差类型
• “板对板”同轴连接器和容差
• SMP-MAX性能

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。经过几代的演进，“板对板”同轴连接器正在从有限容差向大容差方向发展。



“板对板”同轴连接器被越来越广泛应用的背景和推动力来自于无线设备市场的两大发展趋势：尺寸更小、价格更低。如同在无线终端市场所看到的，更小、更轻、更便宜，也是无线设备市场发展的趋势。设备尺寸的减小意味着可以节省空间、减轻重量以及为系统其它设计留下更多余量。

设备尺寸的不断减小要求设备中所有器件的集成度越来越高、尺寸越来越小，这也包括广泛应用在射频模块之中以及之间互联的射频同轴连接器及其电缆组件。例如，在分布式基站系统中被广泛采用的RRH(remote radio head)，为了使其能被简单、方便而且可靠的安装在塔顶以及城市密集环境之中，其设计必须非常紧凑，要尽力控制其尺寸，这就要求承载其射频信号传输的同轴互连系统也必须更加简洁紧凑。 传统繁杂的电缆组件连接正在被简单、紧凑、可靠、同时可承载超过100W射频信号功率的“板对板”同轴连接器连接所取代。

“板对板”同轴连接器连接已经被越来越多的射频和结构设计工程师所熟悉。越来越多的设计正在采用“板对板”同轴连接器连接，这使得设计者们对成本的考虑也越来越多，市场需要设计更简单，成本更低的“板对板”同轴连接器方案。

连接器尺寸的不断变小带来的在机械结构设计方面的挑战主要有两个方面：一是相对于大尺寸连接器，小尺寸连接器更难配合对准。二是小尺寸连接器机械强度低，如使用不当则较易损坏。一般大尺寸连接器能够承受在配合时使用较大的机械力量不至损坏，但小型连接器在配合时则需要更准确一些。

配合容差类型

图1 显示了三种不同的配合容差类型。

径向容差表示配合时两中心针针轴之间有偏差。

角度容差表示两中心针配合时有角度偏差。

轴向容差表示针与座未到底配合。对于射频连接器，如无特殊设计，这种未到底配合会造成阻抗失配，带来信号反射和驻波(VSWR)变大。

另外一个重要的机械指标是盲插范围，它表示连接器能够容许有偏差配合的能力。盲插范围角度至少与工作容差角度相等，但一般来说都远大于工作容差角度。

很明显，连接器配合时需要考虑避免两连接器硬碰造成不能连接或连接器损坏。允许一定程度的容差配合将避免这个问题。另外，允许容差配合还使在非可视状态下的盲插成为可能。很多的盲插方案都采用了“碗状”设计来导入连接。盲插配合使连接器的设计从功能层面提高到了用户友好层面，设计不仅要考虑使连接器达到有效的信号传输功能，还要易于插拔使用。

“板对板”同轴连接器和容差

传统的小型射频“板对板”同轴连接器，如MCX，不允许任何容差，特别是板对板轴向距离容差。之后开发的标准SMP, MMBX以及IMP等“板对板”同轴连接器只能允许有限容差，允许容差范围很小，仍然需要精密的定位配合。

“板对板”SMP连接器系列，包括SMP, SMP-Spring以及SMP-MAX。这三种“板对板”连接方案都包括三个组成部分：两个分别安装于两块PCB或模块上的插座，一个连接两个插座的转接器。一般转接器一端以推入卡紧式（Snap-on）与一个插座形成固定的“半永久连接”，有较大配合保持力。转接器的另一端以划入式（Slide- on）与另一个插座形成配合，配合保持力较小。根据不同的板间距应用需要，现已开发了长度从5.7mm到37mm的各种型号转接器。

在实际应用中，径向和轴向容差是使用和装配必须考虑的问题。径向容差主要是为了补偿连接器以及PCB设计和装配的机械公差。而角度和轴向容差则主要关系到传输信号的完整性水平，配合间隙将使阻抗变化，造成反射和驻波(VSWR)变大，可靠性降低。

为了获得比传统SMP“板对板”连接器更大的容差范围，第二代“板对板”同轴连接器产品SMP-Spring采用了加装弹簧的转接器。弹簧设计在获得更大的容差范围的同时，由于两端始终处于完全配合状态，使其在轴向有容差时的表现更加优异，拥有更低和更稳定的驻波(VSWR)性能。SMP-Spring弹簧设计的缺点在于弹簧系统结构设计复杂，成本较高。

SMP-MAX，是近期市场推出的第三代，拥有更大容差范围的经济型“板对板”同轴连接器。 如图2所示，SMP-MAX在其一端插座上采用了“碗状”口的设计，以获得盲插效果。专利设计的绝缘体支持轴向容差最高达到2.4mm，同时保持稳定较低的驻波(VSWR)水平。插座上特殊设计的锥形中心针使其在偏斜时产生应力较小，增加了稳定性。

相对第二代加装弹簧的设计方案，第三代产品 SMP-MAX器件结构设计大大简化，在得到更大容差的同时获得了更低的成本。图3显示了典型的设计师对“板对板”连接器容差要求以及SMP-MAX所能达到的容差范围。其中中心椭圆代表典型的对“板对板”连接器容差要求，外椭圆代表SMP-MAX的容差范围，两椭圆之间的距离则代表了SMP-MAX对于典型设计要求可提供的余量。大的余量意味着更好的鲁棒性，“板对板”连接系统更简单、连接更快速、更可靠、更不易损坏。


SMP-MAX连接器在获得很好机械性能的同时，也保证了优异的电气性能：在承诺的容差范围内保证一套“板对板”连接的典型驻波(VSWR)在3GHz范围以内小于1.2，满足目前几乎所有的无线通讯系统标准要求。

SMP-MAX性能

表1显示了 SMP, SMP-Spring和SMP-MAX三种“板对板”同轴连接器的性能比较。

SMP-MAX的设计体现了很好的灵活性，通过降低工作频率范围获得了更大的容差范围和更高的功率。考虑到无线通讯典型应用频率800MHz-2.5GHz，6GHz的工作频率仍然可以满足大多数的应用需求。在获得更优性能的同时，SMP-MAX的设计对于用户也实现了更低的采购及使用成本。

SMP-MAX的优异特性还包括：

特别设计的转接器可与标准的SMP插座互配，以前使用SMP插座的用户无需更改电路板和更换已有的SMP插座

在合适的频率和温度情况下，工作功率高达300W

可提供“对称”与“非对称”两种方案。“对称”设计的转接器两端接口相同，两插座分别为推入卡紧式（Snap-on）和划入式（Slide-on）。“对称”设计的转接器可避免装配时方向插错，但一套“板对板”连接器需要三个不同的料件

可根据需要提供灵活的PCB接口设计（穿孔或SMT）

结论

第三代“板对板”SMP-MAX同轴连接器在达到更高容差水平的同时获得了更低的成本。第一代“板对板”SMP同轴连接器只能提供有限容差，不能满足最新的设计要求。第二代“板对板”SMP-Spring同轴连接器提供了大容差，但设计较复杂，成本高。第三代“板对板”SMP-MAX同轴连接器为设计师们提供了很好的成本和性能余量。