SMP-MAX板对板射频连接器与PCB组件的整体仿真设计 真莹
【摘 要】本文描述了一套轴向和径向大容差板对板浮动连接器与PCB组件的整体仿真设计及应用方式.通过三维电磁场仿真,确定连接器内部尺寸和PCB Layout形状和尺寸,达到整体射频性能要求. 【期刊名称】《机电元件》
【年(卷),期】2012(032)004
【总页数】7页(P5-11)
【关键词】射频同轴连接器;PCB;组件;射频仿真;板对板;浮动
【作 者】真莹
【作者单位】上海雷迪埃电子有限公司,上海市,200072
【正文语种】中 文
【中图分类】TN784
真空度传感器1 引言
当前，板对板之间由射频连接器进行连接的需求越来越大。由于上下平行电路板之间的纵向距离不能保证完全相同，而且两板之间的对位上还有平行错位，特别是在两板之间有多组通路同时连接的情况下。由于是射频信号的传输，良好的整体连接对于射频性能就显得尤其重要。这种性能包括小信号性能和大信号功率性能。否则，阻抗不匹配，造成信号反射衰减太大，传输信号太小，功率承受能力也较弱。结合PCB所设计的SMP－MAX板对板连接器组件具有较大的轴向和径向容差和功率承受能力，很适合板上有多个需同时连接的射频通路的应用。
筛板塔2 应用形式
SMP－MAX板对板连接器组件是一个浮动的结构，由一个与PCB焊接连接的snap座子，另一个与PCB焊接连接的slide座子以及中间的转接器bullet构成。两个座子分别焊接在两块P
CB板上，三个连接器与两块PCB板组成一个连接器电路板组件。应用形式如图1，图2所示。图1装配在垂直状态，bullet在 slide座子中可以上下滑动 ±1mm，从而调节长度以适应板上下间距的偏差。图2在径向上可有角度偏移3°，以适应板的平行错位偏差。图3是Slide端插入前示意图。通过板与板的垂直连接将RF信号从一块电路板传输到另一块上。略作改动还有一些典型的应用，如图4和图5所示。图4中间的bullet可以穿过一些结构进行连接，譬如某些滤波器腔体。图5 SMP－MAX板对板连接器还可以多重组合连接。信号传输从:PA(功放) －＞filter(滤波器)＇TRx(收发组件)。两块板之间的小信号传递应用就更加容易。电阻线
由于整机应用于不同的PCB，连接器连到不同的PCB射频性能差别非常之大，其原因是传输电路的不匹配。不是仅仅靠改变PCB Layout就能适应的。所以必须根据使用要求针对连接器、PCB Layout进行整体协同设计，在不同的容差下都能保证良好的射频性能。
助勃器图1 轴向容差
图2 径向容差
图3 Slide端插入前示意图频率补偿电路
图4
图5
瓦特连杆
3 设计原理
3.1 连接器元件界面介绍
一个snap界面座子与bullet固定连接，只可作径向移动，不可作轴向移动，一个slide座子界面是浮动的，转接器bullet可在其中作轴向和径向移动。slide界面的定义如图6所示，这是雷迪埃公司的一个专利界面。从机械层面可以滑动拉伸和倾斜bullet，从而适应板间纵向距离和平行错位的容差。
但是，对于在射频频段工作的连接器来说，这种拉伸的方法势必带来阻抗的严重不匹配，造成了一段高阻抗的空气段。为了能够正常工作，最重要的是必须作补偿，在整个拉伸过程中平衡轴向移动距离与驻波比。在距离H=0mm状态时该区域呈现容性，中间状态H=1mm，这个区域基本阻抗匹配，最大距离状态H=2mm时呈现感性。频率越高，失配就越严重。
图6 slide界面定义
3.2 连接器元件的初步设计
首先，对每个元件的内部尺寸分别进行初步设计，根据板与板间距离和特征阻抗公式，决定三个连接器各自的长度、轴向容差范围，此处为±1mm，从而保证总长度L。然后初步计算各处同轴线的长度、内部直径以及绝缘子的长度、内部直径，各传输段特性阻抗尽量为50ohm。阻抗设计公式如下:
A.传输段特征阻抗的设计，尽量减少阻抗不连续性，保持一致。截面特性阻抗近似公式为:
式中，Z0－理想同轴线的特征阻抗，单位Ω，D－外导体内经，d－内导体外经，ε－介质相对介电常数绝缘子选用PTFE，介电常数约为2.08。
B.连接器内部不可避免的阻抗不连续性，台阶处采用通常的错位设计。预置△以抵消台阶造成的附加电容。后面总体设计中会对该△进行优化。
图7 内部错位设计
C.与两个连接器互插部分相连处的补偿设计。特别是slide插入处，用其后两边的容性阻抗补偿拉伸造成的高感抗。高感抗部分如图13所示的一段高阻抗空气段H。
3.3 连接器元件与PCB的整体仿真设计
将三个连接器装配在一起，如图8所示。但是这是连接PCB的连接器，如果只对三个连接器组件仅在PCB焊接处之前的切面端口同轴段部分进行仿真设计，如图8所示。即使连接器本身以及三个相连的连接器组件本身内部完全阻抗匹配，结果也是不正确的。更何况它们自身阻抗也是不匹配的。尤其在连接器与PCB相连处，通常阻抗是相当不匹配的，对射频性能产生至关重要的影响。如果这部分的影响不消除，射频性能会非常差。实际与电路板的系统应用无法进行。
图8 一套三个连接器装配图
图9 切平同轴端口
PCB与连接器中心针可有几种连接方式，既可共面也可异面连接。
图10 表贴传输线与中心针共面
图11 穿孔传输线与中心针共面或异面
SMP－MAX连接器电路板组件由于元件较多，结构复杂，内部电磁场相互影响，必须作为一个整体系统来设计，达到整体传输线的匹配。我们采用微波仿真软件CST，整体建立三维模型，进行电磁场仿真和设计，协同设计连接器与电路板。先代入上所述初步设置的尺寸参数，然后仿真时设置变量，同时调整和优化连接器元件内部结构和尺寸以及PCB layout形状和尺寸。对H=0mm，1mm和2mm轴向容差分别优化，统一协调。平衡各种结构尺寸，不同容差和电压驻波比的数值。设计的连接器的容差是可以连续变化的，但仿真仅对中间状态和两个极限状态进行，足以涵盖整个容差范围的驻波变化情况。
本设计PCB电路采用微带线结构，连接器穿孔到另一面与反面的微带线焊接相连。PCB是Rogers 4350B，0.762mm，双面1oz.敷铜。
如图12、图13所示，设计仿真过程是对绿线方框中的连接器本身尺寸的设计，蓝线椭圆框是对连接器与PCB连接部分连接器本身尺寸和PCB Layout形状和尺寸进行补偿设计。连接器本身设计包括绝缘子长度、中心针外经尺寸和外腔内经尺寸及台阶变换位置和错位△大小的设计，及高抗H处的补偿设计。改变参数对结构进行仿真、调整、优化。仿真模型还
要考虑实际的可实现性，以及机械性能，比如保持力，所以中心针不可太细，绝缘子和中心针必须有定位结构，如倒刺，滚花等，它们造成的尺寸变化应该作为仿真考虑的因素之一。PCB的设计包括连接方式，传输线形式，材料介电常数选取，板厚、正反面Layout形状、线宽、过孔、焊盘尺寸的仿真。下面是模型结构和最终优化的射频驻波结果。
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