无线基站设备中PCB之间的射频互连设计

本文介绍了无线通讯基站设备中PCB之间的各种射频互连设计，详细介绍了目前市场上比较普遍的从第一代到第三代PCB板对板、板到模块及共面板间的射频同轴连接器的设计、性能和应用，为无线通讯基站设备的板间互连设计提供比较详细的参考。

No.1、 通讯设备中印制板间的位置关系和传统互连形式

传统的射频信号跨板之间的传输是通过射频电缆组件的架设来实现的。它的优点是：互联比较灵活，选择范围大；缺点是：成本高，传输距离大，空间要求高，安装复杂。随着无线通信应用对设备体积日益紧凑的要求越来越普遍，设备的小型化、轻量化趋势越来越明显，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射频拉远前端RRH（Remote Radio Head），为了使其能被简单、方便而且可靠地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。实际设计中对板对板连接器的要求也越来越高，对内部射频互联部分就有了新的需求。

图1

设备中PCB之间的位置可以分为3种状态：水平、共面、垂直，如图2所示：

图2：无线通信设备中PCB之间的位置
图3：配合容差类型

No.2、 几类板间连接器的设计

PCB板间配合容差类型

我们知道，低频连接器已经发展出对应的一系列产品，而参照低频连接器的应用，射频连接器也需要对应的连接方式，这样才是一个完整的包括电源、数字、射频等不同要求的传输应用，同时还能实现混装的高密度布局。但射频信号对使用环境的要求要比低频信号的要求高不少，同时由于PCB板之间以及射频通道与通道之间存在位置偏差，而连接器本身又不具备电缆的柔性，在这个前提下我们又要保证插损（IL）、回损（RL）、隔离（Isolation）等射频的基本指标，所以我们需要对传统射频连接器进行优化来克服这些难点。

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。三种不同的配合容差类型如图3所示。

• 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。

几类PCB板间连接器的设计及机械电气性能

（1）第一代PCB板间连接器

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。而SMB系列采用一对公母连接器配合，通过母端连接器开槽部件的弹性变化来实现轴向与径向的偏移，但由于弹性件弹性变化的极限，所允许的轴向与径向偏移量非常小，这使得在同一块电路板上安置的连接器不会超过三对。

（2）第二代PCB板间连接器

为了解决这个问题，第二类板对板连接器应运而生，主要是3段式的同轴连接器。这种解决方案还是基于同轴传输线原理，以中间的转接杆的倾斜角度不同以及界面的间隙来克服PCB之间的位置偏差。我们可以把这种连接器应用称之为：三段式硬连方案。优点：结构紧凑、传输距离短、摆放密度高、可以实现盲插、拆装简便、测试效率高、相对于电缆性能更为优异、有利于产品的模块化设计。如MMBX、SMP系列，通过添加一个转接头作为中间连接器，采用三件套的方式，作为中间连接器的转接头可以相对于固定在电路板上的插座有微小的转动，从而允许一定的较大的径向偏移。

MMBX的中间转接头可以偏转4.5度，可实现的径向偏移量根据中间转接头的实际长度而定（L*sin4.5），而轴向浮动量为±0.3mm。

可见，这类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。

第一、二代板间连接器如图4所示：

图4：第一、二代板间连接器
图5：第三代板间连接器互连示意图

（3）第三代PCB板间连接器

随着设备的发展，同一块电路板上的连接器对数越来越多，对连接器的轴向与径向浮动量要求也越来越高（第三代板间连接器互连示意图如图5所示）。由此，新一代的板对板方案诞生：如PSMP、SMP-MAX、MBX等（如图7所示），这类应用通常应用在频率10GHz以下，容差基本上满足轴向和径向都是±1mm的使用环境。

图6

SMP-MAX作为新型板间连接方案，两端插座分别为紧配端与松配端，而中间转接头两头对称。应用时，先将中间转接头与紧配端手工配合，紧配端设计有卡槽，保证转接头与其配合后较大的拔出力。同时在松配端设有较大的喇叭口，用于盲插导向，便于操作工在闭合上下模块时能顺利导入（当然在上下模块上设有导向柱可以帮助连接器的导入，防止花瓣槽的损坏）。配合之后，转接头可在松配端自由浮动，根据上下模块的实际工作距离来定。

图7：SMP-MAX系列、PSMP系列、MBX系列连接器

SMP-MAX是一种具有超大容差能力的板对板方案连接器。SMP-MAX的径向偏转角度可达3度，轴向浮动量达±1mm，甚至最高可达±1.2mm。连接界面采用独特的阻抗匹配专利技术，即使板对板轴向达到最大容差，使连接器间出现大到2mm（0.78）的空隙时，仍然可以达到很好的阻抗匹配，从而保证所有电气性能达标。其最大轴向容差甚至达到了SMP的4倍。径向容差也有不俗表现，可以在整个工作频段DC-6GHz范围内达到最大3°的倾角，同时在3GHz内达到VSWR优于1.2，最大功率达到165W。

表1：PSMP与SMA，QMA连接器的比较

另一种大功率、大容差的三段式连接器PSMP如图8，特性如下：

• 应用频率达到10GHz；

• 额定功率达到200W在2.2GHz；

• 板间距最小12.6mm；

• 容差：轴向±1mm，径向4°；

• 直角弯头连接器应用于电缆组件。

可见，PSMP结合了SMA、QMA、SMP的优点，提供了良好的电气、机械性能和大的容差，见表1。

典型的RRH中板间连接器的应用，功放与滤波器之间的连接采用三段式PSMP连接器，功放板上连接器有屏蔽簧片，在2GHz频率下，屏蔽效能可以大于60dB。如图8所示：

图8：典型的RRH中PSMP连接器的应用

PCB板与模块间的射频互连设计

在RRH、有源电线中，从PCB到滤波器、天线等模块间射频互连，除了可以用上述板间三段式连接器外，也可以用硬连接形式来实现，以降低成本、提高灵活性。如图9所示：

图9：两种专利硬连接设计

共面PCB板间的射频互连设计

在三段式的应用上，有连接器厂家提出了一些想法：空间是否能更紧凑些、成本是否可以更低。针对这些想法，他们做了一些尝试，发现在牺牲一定射频性能，同时板间距离又是非常小的情况下，可以用簧片来传输射频信号，同时具有一定的容差能力，成本比三段式节省2/3。在低成本的模式下，同一个连接器可以用来传输射频、数字、电源，在一定程度上可以说它是一个通用连接器。H公司的桥式连接器及应用如图10所示：

图10：H公司的桥式连接器及应用

桥式连接器与一般板对板三段式连接器的性能对比见表2。

表2：桥式连接器与板对板连接器的性能对比

簧片连接器应用性能要求：

◆电气性能

• 频率番位：DC-4GHz

• 回波损耗：最大20dB

• 功率：

  • 2GHz时80W（125C最大接地面）

  • 4GHz时30W（125C最大接地面）

• 隔离（参考）：

  • 5位：31.9dB @ 2GHz，26.2dB @ 4GHz

  • 7位：47.8dB @ 2GHz，41.4dB @ 4GHz

  • 8位：116.6dB @ 2GHz，106.2dB @ 4GHz

• 插入损耗：

  • 2GHz时最大0.25dB

  • 4GHz时最大0.6dB

◆结构容差

• X轴：±0.5mm插配浮动

• X轴：±0.8mm聚集

• Y轴：±0.5mm插配浮动

• Z轴：±0.5mm插配浮动

◆环境性能

• 最高环境温度：55°C

• 最高地面温度：125°C

A公司对簧片结构互联连接器做了回损、隔离、插损的仿真，并对单通道样品做了绝缘耐压、结合力、脱离力、中心导体保持力、引脚拉力、插拔循环、震动、接触电阻、绝缘电阻、电压驻波比VSWR、特性阻抗、插损等各项性能的实际测试，得出测试结论：

产品设计基本达到设计要求，性能还有进一步优化空间，产品具有实际意义，可以在PCB共面以及10mm以下平行板场合使用。产品的稳定性有待于后续小批量的验证，实验样品如图11所示：

图11：A公司的新型簧片结构连接器和单通道和多通道的实验样品

No.3、 结束语

随着近几年4G基站的广泛部署，小型有源天线、小基站等设备的应用，市场要求无线基站模块如RRH的体积越来越小、结构越来越紧凑，因此应用性能可靠、体积小、容差大并且性价比高的板间连接器成为各通讯设备厂家研发工程师的共识。根据设备的具体设计要求、PCB板的排布形式、射频信号的传输要求，选择好合适的平行板间板对板连接器、共面板间的桥式连接器等，对无线设备研发的帮助非常大。在RRH、有源天线、小基站等的设计中，可按以下方法选择：

• 产品体积小、PCB板间距小、对容差要求不高，可选用MMBX系列等类似连接器，其最小板间距为6.7mm。
• 产品体积较大、PCB板间距大于约13mm、对容差要求较高，可选用PSMP、SMP-MAX、MBX等系列连接器。
• 对于共面板，可选用桥式连接器、新型簧片连接器等，可同时传输射频、电源、数字信号。
• 对于PCB到滤波器、天线等模块的射频连接，除了可使用上述1、2连接器以外，也可以根据实际设计选用硬连接形式以降低成本、提高灵活性。

通讯设备研发工程师也可以和连接器供应商共同探讨，协助连接器供应商根据不同的需求研制出新的灵活性高的产品，以适应不同的市场需求。

本文转载自：射频百花谭
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