基于有限元法的SMP射頻連接器PCB接口性能研究

青 春，李 凱，李海峰，郝健男，王 璐

(1.沈陽興華航空電器有限責任公司，遼寧沈陽，110144；2.軍代表室，遼寧沈陽，110144)

1 引言

目前，板對板同軸互連解決方案在通信設備模塊互連中的應用越來越廣泛，如通信基站、直放站、GPS等設備。隨著我國5G基站的推進特別是近年來對于5G新基建的大力投資，該互連解決方案的需求將進一步增加。其中，SMP是其中使用較為廣泛的接口形式之一。

針對板間射頻這一巨大的市場需求，國內外公司及專家紛紛提出自己的板對板互連解決方案。上海雷迪埃公司對SMP-MAX及PCB整體進行了仿真設計[1]；對板對板MSR射頻同軸連接器進行了研發[2]；上海貝爾公司對無線通訊基站設備的互連設計進行了深入的研究[3]；南京航空航天大學對SMP板間連接器及轉接器進行了仿真及設計[4]，以上研究對板間射頻連接器對發展起到了積極的推動作用。

本文以計算機輔助計算平臺為工具，對SMP板間射頻同軸連接器與微帶線結構PCB間的互連接口進行了仿真計算和優化設計，分析了殘樁、反焊盤尺寸、連接器內插針直徑等參數對于接口傳輸性能的影響，計算了0～40GHz頻帶范圍內接口插入損耗、回波損耗、電壓駐波比、特性阻抗等關鍵傳輸特性參數的理論值，為二者互連接口設計提供了理論指導。

2 連接器及PCB接口基本尺寸設計

2.1 連接器設計

按照GJB5246-2004《射頻連接器界面》規定和特性阻抗計算公式(1-1)完成SMP板間射頻連接器結構及參數設計，保證其特性阻抗滿足50Ω±5Ω要求，特性阻抗公式如下[5]：

(1)

其中，Z0為特性阻抗；ε表示相對介電常數；D表示外殼體內徑；d表示內插針外徑。連接器的具體結構如圖1所示，內插針通過倒刺與絕緣體進行固定，參數指標如下：

圖1 SMP連接器內部結構

2.2 PCB設計

連接器接口尺寸如圖2所示。其中，殼體接地引腳截面尺寸為0.50mm×0.50mm，信號插針直徑為Φ0.6mm，接口性能指標要求如表1所示。

圖2 連接器接口尺寸

表1 接口傳輸性能指標要求

為簡化工藝，避免二次背鉆，PCB采用微帶線表層走線，走線寬度為15mil，走線長度60mm，外形尺寸為50mm×100mm，疊層結構設計如表2和圖3所示。

表2 層疊設計

圖3 PCB疊層結構

3 殘樁影響分析

為了分析有無殘樁對接口傳輸性能的影響，對互連接口其進行了仿真計算。圖5～圖9及表3為仿真模型及計算結果。其中，實線為無殘樁時接口傳輸參數計算結果，虛線為有殘樁時接口傳輸參數計算結果。

圖4 PCB疊層模型

圖5 PCB及接口焊盤模型

圖6 連接器與PCB組合仿真模型

圖7 有殘樁模型

圖8 無殘樁模型

圖9 有無殘樁高頻性能仿真結果

表3 無殘樁與有殘樁傳輸性能對比表

由仿真計算結果可知，無殘樁結構接口各傳輸參數指標均優于有殘樁時的指標，說明殘樁對接口的高頻傳輸性能具有較大影響，是關系到高頻信號能夠正常工作的關鍵因素之一。

4 接口尺寸優化

構建無殘樁板間射頻連接器與微帶線結構PCB互連接口模型，對接口參數進行進一步的調整和優化。為滿足接觸可靠性和工藝要求，將焊盤最小直徑設為Φ0.7mm，在此基礎上對反焊盤尺寸進行優化，計算結果如圖11及表4、表5所示。

圖10 無殘樁SMP板間射頻連接器與微帶線結構PCB互連仿真模型

圖11 仿真優化結果

表4 優化結果表(DC～20GHz)

表5 優化結果表(20GHz～40GHz)

由計算結果可知，反焊盤直徑尺寸為Φ60mil(即Φ1.524mm)時， DC～20GHz頻帶范圍內，TDR曲線波動最小，接口性能最優；由于SMP同軸連接器帶寬的限制，造成20GHz～40GHz頻率范圍內互連接口回波損耗和電壓駐波等指標不能滿足規定要求。

將射頻連接器滿足的通頻帶寬調整為DC～40GHz(內插針直徑Φ0.56mm, 外殼體內徑Φ1.3mm,焊盤接觸直徑Φ0.38mm)重新計算，仿真結果如圖12及表6所示。其中，虛線為采用DC～40GHz通頻帶寬板間射頻連接器時的計算結果。可以發現，調整之后，接口傳輸性能滿足指標要求。

表6 不同內插針體直徑下的高頻傳輸特性

圖12 不同直徑插針仿真結果對比

5 結論

本文以SMP板間射頻連接器與微帶線結構PCB互連接口的傳輸參數為研究對象，分析了殘樁、焊盤、反焊盤、內插針直徑等因素對PCB接口傳輸性能的影響。通過仿真計算得到了不同邊界尺寸條件下插入損耗、回波損耗、電壓駐波比、特性阻抗等關鍵參數的理論值，為板間射頻連接器與PCB互連接口的高頻傳輸參數設計提供了理論指導。