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

1 引言

目前，板對(duì)板同軸互連解決方案在通信設(shè)備模塊互連中的應(yīng)用越來越廣泛，如通信基站、直放站、GPS等設(shè)備。隨著我國(guó)5G基站的推進(jìn)特別是近年來對(duì)于5G新基建的大力投資，該互連解決方案的需求將進(jìn)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(duì)板間射頻這一巨大的市場(chǎng)需求，國(guó)內(nèi)外公司及專家紛紛提出自己的板對(duì)板互連解決方案。上海雷迪埃公司對(duì)SMP-MAX及PCB整體進(jìn)行了仿真設(shè)計(jì)[1]；對(duì)板對(duì)板MSR射頻同軸連接器進(jìn)行了研發(fā)[2]；上海貝爾公司對(duì)無線通訊基站設(shè)備的互連設(shè)計(jì)進(jìn)行了深入的研究[3]；南京航空航天大學(xué)對(duì)SMP板間連接器及轉(zhuǎn)接器進(jìn)行了仿真及設(shè)計(jì)[4]，以上研究對(duì)板間射頻連接器對(duì)發(fā)展起到了積極的推動(dòng)作用。

本文以計(jì)算機(jī)輔助計(jì)算平臺(tái)為工具，對(duì)SMP板間射頻同軸連接器與微帶線結(jié)構(gòu)PCB間的互連接口進(jìn)行了仿真計(jì)算和優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析了殘樁、反焊盤尺寸、連接器內(nèi)插針直徑等參數(shù)對(duì)于接口傳輸性能的影響，計(jì)算了0～40GHz頻帶范圍內(nèi)接口插入損耗、回波損耗、電壓駐波比、特性阻抗等關(guān)鍵傳輸特性參數(shù)的理論值，為二者互連接口設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。

2 連接器及PCB接口基本尺寸設(shè)計(jì)

2.1 連接器設(shè)計(jì)

按照GJB5246-2004《射頻連接器界面》規(guī)定和特性阻抗計(jì)算公式(1-1)完成SMP板間射頻連接器結(jié)構(gòu)及參數(shù)設(shè)計(jì)，保證其特性阻抗?jié)M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(duì)介電常數(shù)；D表示外殼體內(nèi)徑；d表示內(nèi)插針外徑。連接器的具體結(jié)構(gòu)如圖1所示，內(nèi)插針通過倒刺與絕緣體進(jìn)行固定，參數(shù)指標(biāo)如下：

圖1 SMP連接器內(nèi)部結(jié)構(gòu)

2.2 PCB設(shè)計(jì)

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(hào)插針直徑為Φ0.6mm，接口性能指標(biāo)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(biāo)要求

為簡(jiǎn)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(zhǎng)度60mm，外形尺寸為50mm×100mm，疊層結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如表2和圖3所示。

表2 層疊設(shè)計(jì)

圖3 PCB疊層結(jié)構(gòu)

3 殘樁影響分析

為了分析有無殘樁對(duì)接口傳輸性能的影響，對(duì)互連接口其進(jìn)行了仿真計(jì)算。圖5～圖9及表3為仿真模型及計(jì)算結(jié)果。其中，實(shí)線為無殘樁時(shí)接口傳輸參數(shù)計(jì)算結(jié)果，虛線為有殘樁時(shí)接口傳輸參數(shù)計(jì)算結(jié)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(jié)果

表3 無殘樁與有殘樁傳輸性能對(duì)比表

由仿真計(jì)算結(jié)果可知，無殘樁結(jié)構(gòu)接口各傳輸參數(shù)指標(biāo)均優(yōu)于有殘樁時(shí)的指標(biāo)，說明殘樁對(duì)接口的高頻傳輸性能具有較大影響，是關(guān)系到高頻信號(hào)能夠正常工作的關(guān)鍵因素之一。

4 接口尺寸優(yōu)化

構(gòu)建無殘樁板間射頻連接器與微帶線結(jié)構(gòu)PCB互連接口模型，對(duì)接口參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的調(diào)整和優(yōu)化。為滿足接觸可靠性和工藝要求，將焊盤最小直徑設(shè)為Φ0.7mm，在此基礎(chǔ)上對(duì)反焊盤尺寸進(jìn)行優(yōu)化，計(jì)算結(jié)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(jié)構(gòu)PCB互連仿真模型

圖11 仿真優(yōu)化結(jié)果

表4 優(yōu)化結(jié)果表(DC～20GHz)

表5 優(yōu)化結(jié)果表(20GHz～40GHz)

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

將射頻連接器滿足的通頻帶寬調(diào)整為DC～40GHz(內(nèi)插針直徑Φ0.56mm, 外殼體內(nèi)徑Φ1.3mm,焊盤接觸直徑Φ0.38mm)重新計(jì)算，仿真結(jié)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(shí)的計(jì)算結(jié)果。可以發(fā)現(xiàn)，調(diào)整之后，接口傳輸性能滿足指標(biāo)要求。

表6 不同內(nèi)插針體直徑下的高頻傳輸特性

圖12 不同直徑插針仿真結(jié)果對(duì)比

5 結(jié)論

本文以SMP板間射頻連接器與微帶線結(jié)構(gòu)PCB互連接口的傳輸參數(shù)為研究對(duì)象，分析了殘樁、焊盤、反焊盤、內(nèi)插針直徑等因素對(duì)PCB接口傳輸性能的影響。通過仿真計(jì)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(guān)鍵參數(shù)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(shù)設(shè)計(jì)提供了理論指導(dǎo)。