摘要

本文研究了5G移动设备中柔性带状电缆的超小型A(SMA)和板对板(BTB)连接器的电磁干扰(EMI)辐射。并发现了接触连接的不确定性以及SMA连接器和柔性印刷电路板(PCB)之间的间隙为共模电流提供了泄漏路径。我们通过引入更多的接地点或用导电粘合剂填充间隙可有效抑制SMA连接器的泄漏。

此外，表面电流分布和辐射图表明，来自BTB连接器的共模辐射要强得多，这主要是由于其未屏蔽的接地过渡引起的。我们通过将接地插脚替换为屏蔽壁，可以显著减少泄漏，并抑制EMI辐射。

关键词

EMI辐射，共模电流，RF连接器，接地结构。

一、引言

柔性印刷电路板(FPC)形式的薄型带状线电缆被广泛用于移动设备中，用于天线和主板之间的互连。电缆和PCB板之间的连接器存在某种不连续性，会产生辐射和电磁干扰(EMI)。在5G移动设备中，工作频率和电缆数量大大增加，因此EMI将成为严重的问题。

业界已经揭示出，RF电缆的EMI源是在电缆的外表面和地面上跟随的共模电流。在这种情况下，传输线将在“天线模式”下工作。尽管共模电流的密度可能太弱而无法在S参数响应中观察到，但是它的辐射却很明显。

移动设备有两种类型的RF连接器。第一种是SMA连接器，通常将它们连接到PCB板上并在测试中用螺钉拧紧，以便可以重复使用这些连接器。第二种是板对板(BTB)连接器，其接地结构未屏蔽。

本文研究了这两种类型的连接器的泄漏和辐射，发现了SMA连接器与PCB板接地之间的不确定接触和间隙以及BTB连接器的开放结构将为共模电流提供泄漏路径，从而导致辐射。为了有效抑制EMI辐射，应通过焊接或填充导电胶完全屏蔽地面的过渡。而表面电流分布和实现增益的仿真结果证明了该方法的有效性。

二、模拟与分析

A.SMA连接器和带状线之间的过渡

考虑图1所示的常规探针馈送的带状线，其中两个SMA连接器在两端垂直馈送带状线。带状线呈对称夹心结构，由三层12μm厚的铜和两层200μm厚的LCP电介质组成。SMA连接器的外部和内部导体分别连接到带状线的接地线和内部线。

图1. SMA带状线过渡的几何形状和共模电流泄漏的机制。(a)传输线的整体结构。(b)具有完美接地的过渡电流路径。(c)过渡的电流路径，地面之间有缝隙。

在理想情况下，如图1(b)所示，SMA连接器的法兰应完全与带状线的地面完全无间隙地接触。在这种情况下，SMA连接器外部导体内表面上的返回电流将被迫流入带状线的内侧。因此，即使存在不连续性，共模电流也不会泄漏出去。

但在实际实现中，SMA连接器可以连接并紧固到PCB板上，或者通过多点焊接实现连接。结果，如图1(c)所示，SMA法兰与地面之间将存在间隙。间隙为返回电流提供了泄漏路径，少量电流将流到接地线和同轴线的外表面，从而产生辐射。

为了演示其工作原理，我们模拟了两种类型的传输线在SMA连接器和带状线接地之间有无间隙的表面电流分布，并在10 GHz下给出了结果，如图2所示。

接触时，只能看到非常弱的共模电流，并且由于短路金属柱之间的有限距离，它们主要从带状线的两侧出来。为了进行比较，然后我们在法兰和地面之间引入间隙，并且仅通过两侧的两个螺钉将它们连接起来。如图2(b)所示，这种情况下的表面电流要强得多，尤其是在法兰和地面之间的界面处。这意味着电流只是从间隙中泄漏出来。

此外，在图2中执行并比较了两条传输线的辐射方向图。图2(a)中传输线的最大实现增益低至-64 dBi，结果为当引入间隙时，高达-31.4 dBi。这表明在这种情况下，从连接器泄漏出的共模电流将主导该辐射。

图2.两种传输线在10 GHz的外表面上的表面电流分布。(a)没有间距。(b)有间距。

实际上，通过在法兰和地面之间增加更多的短路点，共模电流将被衰减，EMI辐射将被减轻，这也表明了这一点。因此，在应用中，连接器和PCB板之间的接触不确定性应尽可能少。 当PCB板薄且柔软时，用螺钉接地是不可靠的。我们的实验表明，填充导电胶可以有效消除界面之间的缝隙并减少共模电流泄漏。

图3.两种类型的传输线的辐射图。(a)没有间距。(b)有间距。

B.引脚间板对板连接

BTB连接器具有尺寸紧凑和外形小巧的优点，被广泛用于FPC的板对板连接。BTB连接器通常由几个平行的引脚组成，这些引脚焊接在PCB板上并连接到接地和焊盘。图4(a)展示了使用BTB连接器的简化的板对板连接，其中中心的一个引脚和两侧的一对引脚分别连接接地层和信号层。两个接地引脚为开放式结构，不能有效地限制流向地面的电流。为了比较接地对共模辐射的影响，我们研究了另一种带有屏蔽壁的过渡段，用于接地过渡，其几何形状如图4(b)所示。

图4.带(a)非屏蔽平行引脚的板对板连接。(b)带有屏蔽接地的引脚。

接地外表面上的共模电流分布如图5所示。很明显，与屏蔽接地相比，在两个引脚接地的情况下，共模电流密度要强得多。尽管过渡会导致阻抗不连续，但屏蔽接地结构已阻止带状线内侧的电流流到外部。应该注意的是，这两种情况下的反射系数几乎相同，这是因为共模电流要比支配的TEM模式电流弱得多。此外，对图4中两条传输线的辐射方向图进行了仿真，结果如图6所示。对于非屏蔽情况，最大实现增益高达-14 dBi，与增益相当天线的高度。相反，具有屏蔽接地过渡的传输线的最大实现增益仅为-50 dBi，比后者低36 dB。

图5. 10 GHz下地面外表面的表面电流分布。(a)非屏蔽引脚连接。(b)屏蔽针连接。

与图3和图6中的结果相比，可以推断出主要辐射是由BTB连接器引起的。为此开发具有改善屏蔽效果的接地结构将有助于抑制共模辐射。在实施中，屏蔽接地结构可以用多个引脚或封闭形式的焊接来近似。

Fig. 6. Radiation patterns of the two transmission lines in Fig. 4 at 10 GHz. (a) Unshielded case. (b) Shielded case.

图6.图4中两条传输线在10 GHz处的辐射方向图。(a)非屏蔽情况。(b)屏蔽的情况。

三、结论

本文根据表面电流分布和辐射方向图研究了SMA和BTB连接器的泄漏和辐射。 接地外表面上的共模电流会引起EMI辐射，并且会从过渡区泄漏出去，在过渡区中，接地结构没有得到很好的屏蔽。至于SMA连接器，由于可能会出现气隙，两个常用的拧紧螺钉是不够的，因此用导电胶或焊料填充将是有帮助的。

此外，具有平行引脚的BTB连接器被证明屏蔽不良，并且其EMI辐射更强。为了满足5G移动设备的电磁兼容性要求，应为BTB连接器开发改进的接地过渡并具有更好的屏蔽效果。