本文介绍了一种新型的屏蔽射频微同轴连接器和板对板连接器，其信号泄漏性能比常用射频连接器低25-45 dB。而且导致电流连接器泄漏的问题已被识别，并通过制造工艺进行了修改。我们新开发的连接器可在高达18 GHz及以上的频率下运行。这款小型射频连接器非常适合微微/纳米卫星，不需要额外的屏蔽来保护可能遭受有意或无意辐射发射的信号路径。

辐射环境中的信号发射是电子设计的一个重要课题，在系统开发过程中必须考虑其对系统性能和人体安全的影响。大多数国家/地区都有针对辐射排放和辐射安全的监管标准，例如 EMI/EMC 要求，它定义了产品设计应满足的辐射类型和水平。

随着越来越多的高频和宽带协议在同一平台上实施，电磁辐射(EMR)已成为一个具有挑战性的话题。空间环境EMR及其相关影响对于卫星设计及其在电离层等离子体环境中的运行至关重要。

虽然平台(例如航天器、卫星、移动设备)的整体尺寸必须保持甚至减小，以用于具有多个无线电的下一代设计，但它们的共存可能会导致板级和通信的信号完整性问题质量下降到系统级。RF和天线系统是发射电磁(EM)辐射的主要来源，由于射频电路和天线的高密度使射频和数字信号走线彼此靠近，串扰干扰成为一个问题。当多个信号共存时，灵敏度下降和可能的发射辐射问题可能会很严重，尤其是在空间狭小的立方体卫星中，为此需要增加更多的保护方案。

由于 RF 路径是传输能量的主要路径，因此必须考虑对其进行保护。不幸的是，大多数同轴连接器和电缆组件都没有很好的屏蔽，这会导致不希望的信号泄漏，从而对系统性能和辐射发射造成高风险，尤其是在无线平台中同时实施多个频段和协议时。

优秀的屏蔽结构可以相对容易地在更大的设计中实现。在本文中，我们重点介绍在PCB或 FPC(柔性PCB)上广泛使用的微型(或微型)RF同轴电缆/连接器和板对板(BTB)连接器。即使直径在1.13/0.81mm以下的微型同轴电缆通常仍具有良好的屏蔽性能。然而，它们在传输线侧或PCB侧的插头和插座连接器是未屏蔽的。对于BTB连接器情况更糟，因为一个连接器中有多个引脚，并且射频和数字信号可能同时打开。在这里，我们将提出一种新的设计理念，以增强射频连接器的屏蔽，从而有效降低信号路径的辐射发射。

同轴电缆和连接器

A. 连接器结构

典型的微型同轴连接器如图1(a)所示，其中包括常用的U.FL、MHF4和 X.FL连接器。这些类型的连接器通常用于低于6 GHz的应用，因为其 RF 性能(例如VSWR和插入损耗)在此之后会迅速下降。

通常不评估连接器的信号泄漏，可能是因为与PCB上的其余RF路径相比，插头和插座配合时的RF路径长度非常短。在天线侧，射频路径由同轴电缆保护，同轴电缆在电缆上具有相对可靠的屏蔽。事实上，这个微小的结可能会导致严重的信号耦合和串扰，而附近的其他信号走线则没有得到适当的保护。通过检查连接器的外观(见图1)可以看出两者都不是封闭的结构，不难理解信号是如何泄漏的。然而，这种小尺寸的连接器和当前的制造技术无法完全封闭连接器上的这些开口。

图1：典型的(a)微型同轴连接器和(b)RF板对板连接器。

图 2显示PCB侧插座连接器的近视图。该连接器的第一个问题是圆柱体上的狭缝。即使插接时，该狭缝也不会被插头连接器完全覆盖。如图2所示，常见的封装有四个黄色区域焊接到 PCB，其中一个连接到RF走线，三个连接到地。尽管专业设计工程师会尝试修改占位面积以在PCBA上形成紧密接地，但连接器的外壳和塑料部分没有板级屏蔽。

图2：一个普通的插座连接器。

图 3显示了插头连接器的配置。可以看出三个具有挑战性的点。首先，插头的帽盖有一个宽槽，非常靠近电缆的中心导体，这是一个直接漏电的位置。其次，插头和插座的连接部分不是序面，会出现微小的缝隙。为了保持拉力，业界已经使用了一些弯曲结构，但那是出于机械目的，通常不考虑信号泄漏。第三个问题是由于电缆组件的压接特性，插头主体不能是封闭结构。电缆外导体可以接触插头体，但不能密封电缆部分。如图3所示，信号将从开口压接部件泄漏。请注意，常规插座连接器将在 PCB 的顶层具有射频走线(见图3)。

图3：普通插头连接器和与普通插座配合时的横截面图。

针对上述问题，我们设计了如图4所示的新型连接器组，解决了目前普遍存在的大部分问题。使用完整的圆柱体设计，中心销可以通过拉伸结构设计来实现。对于插头，可以实现无槽外壳设计，并在内侧放置额外的接地框架，以与同轴电缆的外导体形成更可靠的外壳接触。有了这些新功能，走线可以是封闭的图案，信号走线可以在PCB的内层布线，以获得完全屏蔽的信号路径。

图4：屏蔽式 recaptacle 连接器和增强型插头连接器。

B. EMI 辐射抑制

RF泄漏是电缆/连接器的一个重要主题，设计屏蔽设计的目的是抑制发射器和接收器的 EM 辐射，从而减少潜在的发射问题。电场(E-field)测量是评估 EMI 的有效方法。为了验证我们所提出的连接器的辐射特性，所谓的屏蔽设计，我们已进行模拟并与非屏蔽设计(即通常使用的连接器，如 U.FL、MHF4 和 X.FL)进行比较。

图 5分别显示了使用非屏蔽连接器和屏蔽连接器的电缆组件的电场。仿真中使用的同轴电缆具有坚固的单层外导体，可以视为完美的屏蔽墙。为了便于比较，电场大小以相同的比例显示。可以看出，新开发的屏蔽连接器的辐射发射得到了显著抑制。与使用普通非屏蔽连接器的当前情况相比，这种电缆组件对附近组件造成的 EM 辐射影响可以改善 10s dB。

图5：(a)普通非屏蔽连接器组和(b)新开发的屏蔽连接器组的电缆组件的电场分布情况。

电场强度与频率的关系如图6(a)所示。此处馈送-5 dBm 的连续波(CW)功率，这是3米处的远场电场，可在经过校准的3D消声天线或EMI室中执行。新的连接器设计可以提供 25 dB更好的屏蔽性能。在实际场景中，同轴电缆的外导体有不同的屏蔽配置，例如编织屏蔽、实心护套和多层等。即使长电缆仍然存在辐射，并且必须管理泄漏源。将非屏蔽连接器更换为屏蔽连接器是一种实用的解决方案，也是一种非常经济高效的方法。

图6：(a)同轴连接器和(b)BTB 连接器的预期辐射发射情况。

板对板连接器

A. 连接器结构

板对板连接器广泛用于传输多种信号，包括射频、天线、数字和控制信号。普通BTB连接器的信号引脚完全暴露在环境中，如图1(b)所示，毫无疑问，在相同功率水平下，与非屏蔽同轴连接器相比，它会产生更强的EM发射源。为了避免这种直接辐射，我们提出了一种新的多通道(8引脚 )屏蔽 BTB 连接器，如图 7所示，其配合高度为0.7 毫米。该连接器包括绝缘座、收容在绝缘座内的对接端子以及封闭在绝缘座外的外壳。屏蔽外壳通过拉伸成型一体成型，外壳部分为围绕导电端子的全封闭结构。这个周围的外壳是密封辐射信号的关键部分。由于所有信号管脚都被限制在屏蔽外壳内，面板部分和PCB之间连续不间断的焊接区域使它们与外界环境完全隔离，起到波导的作用，这种结构具有优异的抗电磁辐射能力和噪音保护。

图7：屏蔽BTB连接器：(a)插头和(b)插座。

这个BTB连接器的另一个优点是插入两个屏蔽墙形成三个腔室，其中两个腔室只有一个信号引脚，这与其他引脚形成了良好的隔离。因此，这两个引脚特别适用于 RF 信号。安装在100mm长FPC上的连接器与测试板测得的射频性能如图8所示，包括IL、RL(回波损耗)、近端串扰(NEXT)和远端串扰(NEXT)、末端串扰(FEXT)。可以看出，该设计可以工作在高达 40 GHz 的毫米波范围内。纹波出现在更高的频率，40GHz之后是由于测试板设计的限制。

图8:测量插头和插座连接器的射频性能。

B. EMI 辐射抑制

屏蔽和非屏蔽连接器的辐射远场电场如图6(b)所示，其中馈电CW功率为+10 dBm。非屏蔽的是去掉插头和插座的周围外壳;这样，所有引脚都像常规 BTB 连接器一样暴露在自由空间中。在这个测试中只有一个引脚(左上角的那个)被电源激发。屏蔽连接器的辐射发射显著改善，比非屏蔽设计好 45 dB。与前面介绍的同轴型连接器相比，未屏蔽的BTB在通过相同的功率时具有更高的辐射发射失败风险。屏蔽BTB的结构比屏蔽同轴连接器更能减少信号泄漏。值得注意的是，环绕壁可以在插头侧和插座侧平滑地产生。事实上，理想的表面接触不会发生，两个壳之间会有间隙，如图6(b)所示。此外，必须考虑连接器的足够生命周期，因为这不能是一次性插拔。因此，必须调整壁的形状和尺寸以进一步密封间隙以控制泄漏。

结论

我们已经提出了具有屏蔽结构的低泄漏射频连接器，以显著降低信号通过连接器和传输线时的电磁辐射。屏蔽和非屏蔽连接器设计的远场电场分析证明了如何控制辐射发射。此功能不仅有利于信号的直接辐射、谐波和互调，而且有利于具有多个无线电(如 MIMO、5G 和卫星链路)的紧凑型平台。