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选择5G应用GHz 连接器的六个关键考虑因素
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选择5G应用GHz 连接器的六个关键考虑因素

2022-05-18 09:18:40 来源:连接器世界网 作者:《Connector Tips》编辑Jeff Shepard

【哔哥哔特导读】选择和集成 GHz 连接器的六个关键包括物理尺寸、频率范围能力、功率处理能力、电压驻波比 (VSWR) 和回波损耗、无源互调失真 (PIM) 以及控制不需要的电磁干扰 (EMI)。

连接器是射频 (RF) 系统中必不可少的组件,尤其是在千兆赫 (GHz) 5G 设备等高频应用中。设计人员有多种连接器可供选择,但在缩小选择范围时需要考虑一些关键参数。选择和集成 GHz 连接器的六个关键包括物理尺寸、频率范围能力、功率处理能力、电压驻波比 (VSWR) 和回波损耗、无源互调失真 (PIM) 以及控制不需要的电磁干扰 (EMI)。连接器的物理尺寸、频率范围和功率处理能力是相互关联的(图 1)。

图 1:典型射频连接器的典型功率和频率处理能力。

 

射频应用中使用的一些常见连接器类型包括:

  • BNC 连接器价格低廉,包括一个锁定机制以防止意外断开,并且可提供 50 或 75 Ω 的特性阻抗。BNC 连接器的额定电压通常为 500V,平均功率约为 100W,最高约 1 GHz;但是,它们最常用于 500 MHz 及以下。
  • TNC 连接器是 BNC 连接器的螺纹版本。与 BNC 相比,螺纹提供了更牢固的连接,可以承受振动并处理更高的频率和功率水平。
  • N 型连接器坚固耐用且价格低廉。标准版本的额定频率为 11 GHz,精密设计的工作频率可达 18 GHz。与 BNC 连接器一样,N 连接器的特性阻抗为 50 或 75 Ω。
  • SMA超小型 A 型连接器的额定频率高达 18 GHz,精密设计的额定频率高达 26.5 GHz。它们可以处理 BNC 和 TNC 连接器之间的功率电平。
  • 3.5mm 连接器是类似于 SMA 连接器的精密设计,但具有支持高达 34 GHz 频率的空气电介质。与 SMA 连接器相比,3.5mm 连接器的额定功率往往较低。
  • 2.4mm 连接器的额定频率为 50 GHz,提供三个等级;通用、仪器仪表和计量学。它们的功率处理能力有限。
  • 2.92mm / K 型连接器具有与 2.4mm 设计相似的性能,但仅限于 40 GHz。它们可用于所有 K 波段频率。
  • C 型连接器使用类似于 BNC 的卡口固定环,但设计用于处理更高的功率水平。标准 C 型连接器的额定值为 50 Ω,但也提供 75 Ω 设计。有些版本带有螺纹套环,可实现更安全的连接,例如 TNC 连接器。
  • 7-16 DIN连接器已在很大程度上取代了 C 型连接器,并且可以处理更高的功率水平。这些连接器有一个直径为 7 mm 的内导体和一个直径为 16 mm 的外导体。他们使用 M29 x 1.5 螺纹连接螺母。
  • EIA 系列同轴连接器有多种尺寸,包括 EIA 7/8”、EIA 1 5/8”、EIA 3 1/8”、EIA 4 1/2” 和 EIA 6 1/8”。这些大功率连接器可与泡沫或空气绝缘电缆一起使用。

回波损耗和驻波比

回波损耗和 VSWR 是衡量射频互连系统性能的重要指标。回波损耗和 VSWR 之间的主要区别在于,回波损耗是对数测量,因此在测量非常小的反射时非常有用。相比之下,VSWR 是线性测量,有助于测量更大的反射。

一般来说,15 dB 或更好的回波损耗被认为是电缆和天线系统可接受的总回波损耗。较高的回波损耗是首选。20 dB 的系统回波损耗非常有效,因为只有 1% 的功率被返回,99% 被传输,而在 10 dB 的回波损耗下,10% 的功率被返回,只有 90% 被传输。

VSWR 测量连接器反射的信号量;它是施加电压与反射电压之比,是连接器信号效率的主要因素。VSWR 线性显示系统的匹配。VSWR 方面的完美或理想匹配是 1:1。RF 连接器的常见 VSWR 约为 1.43 (15 dB),但范围可高达 2.0。VSWR 与频率有关,对于给定的连接器,它通常在较高频率时较高。

连接器几何形状和材料在确定 VSWR 中起着重要作用。与直角连接器相比,直插式连接器通常具有出色的 VSWR,尤其是在接近连接器极限的频率下。这是由于两部分的内部直触点配置允许通过内部阻抗控制实现轻松组装和低成本。最近发布的高频直角 SMA 适配器将直触点配置替换为具有两件式概念的内部扫描直角配置。这结合了标准直角连接器的所有低剖面、紧凑尺寸和其他物理优势,同时保持与传统直连接器相当的电气性能。

连接器集成注意事项

通孔连接器表现出一些插入损耗,因为引脚的作用类似于电感/电容阻抗不连续性。由连接器上的表面贴装焊盘引起的阻抗失配是回波损耗的主要来源。一旦信号到达具有较宽铜的表面贴装连接器焊盘,每条迹线长度的电容就更大,从而降低了连接器焊盘处的迹线特性阻抗。这种电容阻抗不连续会导致信号反射,从而导致连接器回波损耗。

在连接器下方添加第二个小接地层有助于消除容抗不连续性问题(图 2)。与连接器焊盘尺寸相同且位于信号层下方的接地层中的切口强制走线以第三层中的接地层为参考。这会导致更高的电容,并有助于减少电容阻抗的不连续性,从而降低连接器的回波损耗。

图 2:信号层下方接地层的切口可以降低连接器回波损耗和插入损耗。

无源互调

当传输线上的两个信号以非线性方式混合时,就会发生无源互调 (PIM)。这种混合会产生可能落在上行链路频带内的额外频率分量,从而导致干扰。PIM 的三种常见来源:

  • 设计 PIM 可能由连接器等无源元件引起。在指定连接器时,通常需要在更低的成本、更小的尺寸或更低的系统性能以及更高的 PIM 级别之间进行权衡。
  • 组装/老化 PIM 是由于连接器和其他无源元件安装不当或长期风化造成的。更高质量和更昂贵的连接器可以帮助解决这个 PIM 源。
  • 环境PIM,也称为“生锈螺栓”PIM,是由外部环境因素造成的。天线或结构元件的腐蚀是环境 PIM 的常见来源。连接器很少会造成这种互调干扰源。

管理 5G UE 设备中的 EMI

像手机这样的 5G 用户设备 (UE) 设备正在挑战具有多个射频子系统的 EMI 源,包括 GPS、Wi-Fi、蓝牙和各种蜂窝连接,包括毫米波 5G。例如,手机中的 5G 毫米波子系统位于 CPU 内核和其他敏感设备附近,从而引发电磁兼容性 (EMC) 问题。一个潜在的解决方案是使用微带和带状线微型同轴连接器,结合电缆接地和布线管理,提供一系列更有效的 EMI/EMC 解决方案。

一种简单、低成本的方法是使用微带互连实现板对电缆解决方案(图 3)。这种方法为电路板上的微带结构提供了微同轴连接。它在 PCB 上仅使用两个金属层,节省了成本,但它可能无法在较高频率下充分抑制辐射 EMI 以符合 EMI/EMC 规定。

图 3:如果 EMI/EMC 要求不太严格,微带结构的微同轴连接就足够了。

当与微带线的基本微同轴连接不能满足所需的性能水平时,添加 SMT 接地夹可以通过抑制电缆屏蔽层上的 EMI 感应电流来帮助进一步降低 EMI。它还可以帮助改进 PCB 上的电缆布线管理。接地夹将 EMI 辐射定位到连接点周围的区域,沿着微带线的长度减少它。

对于需要更高性能的应用,可以使用 3 层带状线传输线结构(图 4)。使用定制冲压连接器可以进一步提高性能。接地层完全包含信号导体,提供高水平的屏蔽。

图 4:3 层带状线传输线结构可以提高 EMI/EMC 性能。

对于需要最高 EMI 屏蔽抑制的高度敏感应用,添加 SMT 接地夹将提高射频屏蔽带状线到微同轴连接器结构的性能。

如上所述,5G UE 设备中的 EMI 屏蔽效果的四个连续改进可以通过以下方式实现:

  • 微带射频同轴连接器
  • 带 SMT 电缆接地夹的微带射频同轴连接器
  • 带状线射频同轴连接器
  • 带 SMT 电缆接地夹的带状线射频同轴连接器

总结

RF连接器是满足从基站到 UE 设备的各种 5G 系统的链路预算和整体性能需求的关键组件。设计人员拥有多种 RF连接器选项,可在物理尺寸、频率范围能力、功率处理能力、电压驻波比 (VSWR) 和回波损耗以及成本方面进行权衡。此外,RF连接器的成功集成需要考虑 PIM,并控制不需要的 EMI。

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