小型高密安装的射频同轴连接器的设计

【摘要】 随着现在通信技术的发展，以及3G/4G建设的成本压力，各种通信设备都向着小型化，集成化的方向发展。本文介绍了一种新的适合现在3G/4G网络相适应的连接器，这种连接器用于塔放RRU内部的板端高密度连接，以替代设备内错综复杂的线缆连接。文章着重介绍此款连接器设计的目的，设计的方案构思，应用的场合，以及市场前景和市场竞争及市场风险分析。

【关键词】高密度安装；板对板；射频同轴连接器；推入式；偏移；浮动；导向；不对准

Doi:10.3969/j.issn.1000-6133.2010.04.001

中图分类号：TM58   文献标识码：A   文章编号：1000-6133(2010)04-0005-06

The design of R.F. connector with Snap-on structure and high-density installation

Abstract:With development of the present communication technology and the construction cost pressure of 3G&4G. Kinds of communication devices toward miniaturization, integration direction developed. This article is about a new RF connector which suit for 3G&4G networks. The connector used to inside of the board RRU, which are the high density connected, and to replace the equipment in the complexity of the cable connection.

Keywords：HIGH-DENSITY INSTALLATION, BOARD TO BOARD, R.F. CONNECTOR,  SNAP-ON,  OFFSET,  FLOATING,  GUIDING,  NOT ALIGNED

1. 引言

在通信发达的今天，成本的压力却制约了中国通信的发展。运营商的每次招投标必然带来新一轮的价格战，一些企业可能会牺牲产品的质量而获得短期的效益，而一些企业则是为了使通信行业有更好的发展而不断开发新产品，以迎合当代通信的需求，并不断投入人力、物力、财力，以获得长期的经济效益。

2. 设计的目的

随着通讯技术的发展，各种军民微波通信、移动通信、精密测试仪器等设备体积日益趋于小型化、微型化。因此，用于这些设备中的连接器需要在很密集的空间内进行排插。目前大量使用的螺纹连接器或快插连接器在对插后，插头连接器与插座连接器靠螺纹或专门的锁紧机构连接，同轴度要求高，且不会相对轴线偏转。但当需要在同一电路板中安装多组连接器时，由于每个连接器都必须同轴安装，每个连接器的相对位置就需要非常精确，当多组连接器中的一对因不同轴安装造成无法对插时，则会造成整组面板或设备无法安装。

3G前期及以前的通信基站中的塔放内部模块之间的连接，一般是通过RF线缆组件实现的，一条线路最短也要在100mm以上，虽然连接方便，但这样不但“分担”了系统一部分能量，使系统的衰减和驻波等电气性能相对较差，而且它们占用很大空间，这务必使塔放设备的体积和重量增加，使安装带来不便。

板对板高密集安装型射频同轴连接器克服以上的种种不足，能在盲配，不对中的条件下直接进行插配，并且自行校正位子，在拔离时自动让转接器留在同一电路板上。它适合设备内部的板端连接，可以根据板端的高度要求，调换中间转接器。它不仅减小了安装的空间，而且安装更加方便。

3. 连接器的设计

3.1.传输线的设计

根据射频同轴连接器的设计公式：

             (1)

Z₀—特性阻抗（Ω）；

εr—内外导体间的绝缘支撑的介电系数；

D—外导体的内径；

D—内导体的外径；

假设内导体的外径d=1.1mm；计算的外导体的内径D=3.6mm。

设计传输线结构如图1

图1 理想的传输线结构

3.2.连接器的结构设计

根据传输线的计算结果，对传输线进行结构改造，根据应用场合及客户的需求，设计图2和图3的结构。

图2 插座连接器的结构

图3 带不同鼓包的连接器结构

连接器是带有推入式（SNAP-ON）的连接机构，利用不同鼓包的插拔力不同，在啮合和分离的过程中使转接器的一头固定在插座的限位槽中，另一头则可以自由分离，既保证一定的啮合力，在分离时又可以自由分离，又保证转接器一致停留在一侧的面板中。

3.3.连接器的仿真

对初设计的连接器对进行仿真设计。在HFSS建模。对插头和插座进行联合仿真，结构图如图4：

图4 仿真图的结构剖面

在HFSS中建模型如图5：

图5 联合仿真模型图

通过结构调整及优化后得到如图6，图7，图8的结果：通过Smith圆图我们可以知道，组合连接器总体偏电容性，需要增加补偿来抵消一部分的电容性；通过端口的时域阻抗图我们可以知道连接器的总体阻抗是符合连接器的经验公式的，只是在端口出阻抗偏低。

图6 仿真Smith圆图

图7 仿真通道1端口的时域阻抗图

图8 仿真通道1端口的驻波图

对连接器进行优化设计，对连接的几个尺寸进行调整，查找几个影响连接器性能的几个重要参数，并确定补偿处间隙大小为重要参数，并设对应的直径长度为a，见表1

最后取中间值a=1.7mm，以获得比较理想的优化结构。

图9 优化仿真的驻波图

3.4.连接器结构重设计

为了提高连接器的可靠性，对连接器进行防呆设计，并最终将结构调整为如图10和图11

图10 优化后的连接器插座结构

          图11 优化后的转接器的结构

3.5.连接器的测试

对连接器进行加工试制，并进行测试。基本符合仿真的结果，如图12。

图12 实际测试的结果

测试方法：把印制板连接器装上测试转接器，并将测试工装装上测试用转接器，背对背连接，如图13：然后用SMA端进行信号的输入输出。

图13测试方法

图14 测试工装

4. 连接器的优势及应用场合

4.1.设计这种高密集安装连接器的优势：

A.主要针对板对板，高密度，小空间安装。板对板安装空间可按客户要求定制，允许最小板间距为6.7±0.3mm。

B.可在较高不对准度的情况下使用，插座安装时允许径向偏移的最大距离0.4mm。

C.连接器的插座具有很好的导向性。即使转接器安装有偏转，当与被测件的插座插配时，能很好地引导插配入座。上下板的插座允许的最大偏移距离为1.0mm，相对于中心线的位移为0.5mm。

D.转接器安装到连接器的插座时相对于中心线允许的最大偏角8度。

E.印制板连接器针对板对板高密集安装，将外壳分体压配，能使绝缘子很好地固定，且能保证很小的装配空间。

F.印制板连接器的内部槽能够保证很好的插拔力。（啮合力≤63N，分离力4—30N）

G.板对板连接器内导体采用加大径向尺寸，增大了接触面积，有效提高了连接器的插拔次数。

H.板对板转接器采用不对称鼓包结构，很好的解决了连接器的插拔力问题，使上下板脱离时，转接器仍统一在上板或下板上。

I.板对板转接器的壳体的弹性接触部分与绝缘支撑留有一定的间隙，提高了配合时的柔性度，也就保证了盲插时的偏移量。

4.2.应用的场合

连接器的插座结构和原理类似于MCX，但其内、外导体外径尺寸加大，结构更可靠，耐压和耐功率能力更强，机械寿命更优。界面轴向尺寸变小，更利于板间距较小的空间和对连接器的重量和体积的要求比较高的场合。其最初的应用场合是TD二期的基站RRU中。如图15。

图15 应用场景

图16 连接器的实物图片

5. 市场前景和市场竞争及市场风险分析

 在第一、二代移动通信技术中，中国一直都在学习，没有自主创新。而在第三代移动通信技术中，中国提出的TD-SCDMA得到了国际电信联盟(ITU)的承认，列入第三代移动通信的技术标准。拥有自主知识产权的TD-SCDMA标准有利于中国通信业在世界上立稳脚跟，使国内通信企业做大做强；有利于将自主研发的专利技术推向全世界。因此TD-SCDMA将成为中国由通信大国向通信强国转变的桥梁。通信产业是一个国家的战略产业，关系着国家的信息安全，关系着国民经济的发展，在信息社会需要靠通信产业拉动其他一些产业的发展。3G对于通信产业而言是一次重要的产业升级，意义十分重大。国家对TD的资金及政策支持非常明显，国家发改委最新核准的TD-SCDMA测试项目投资计划为267亿元。据估计，TD的产业投资规模将达数千亿元。

TD-SCDMA系统具有强大的独立组网能力，可提供经济高效的组网方案，支持密集市区、市区、郊区、农村等各种场景覆盖，频谱利用率高，灵活支持各种对称、非对称业务。可以支持大范围覆盖和高速移动环境。要靠无线实现个人通信这一理想，我们需在一定范围内建立一些基站，其信息传播则可以从一个基站转向另一基站。在一个基站的范围内则靠此基站的发射天线发射出信号，从而使整个信号覆盖在整个基站的服务区域内，进而实现通信的目的。

要实现无线通信，基站的建立是其通信环节中必不可少的硬件设施。要实现一定区域的无线通信，就必须建立一定数量的基站，并且还须根据其区域用户密度（即载波频段的多少）来确定基站的数量。其具体的基站密度应根据各区域的不同用户密度来组成不同的蜂窝小区。下面是一些基本的小区类型（R0为小区半径）：

超小区（R0＞20Km）：人口稀少的农村地区

宏小区（R0=1～20Km）：高速公路和人口稠密的地区

微小区（R0=0.1～1Km）：城市繁华地区

微微小区（R0＜0.1Km）：办公室、家庭等移动应用环境

现就以一个城市（假设面积约为800平方公里）范围来计算一下这个城市需要建设多少个基站。设R0为0.5Km ,则所需要800/(∏×(R0)²)=1018.6,即需建立1019个基站。而每个基站至少需3×8＝24对连接器，这样就需要24×1019= 24456对连接器24456×3=73368个连接器。每对连接器按25元计算，光用在这上面的连接器就要24456×25=611400万元人民币。

这样光一个800平方公里的城市就需建如此多微小区式的蜂窝小区，更不用说那些微微小区的建立。由以上的市场及国家信息产业部的总体发展方向来看，智能天线一体化的市场前景是相当乐观。

中国移动公布的2009年TD网络发展规划是投资588亿元，实现网络覆盖238个地级城市的业务热点区。与TD一期建网以1.8万个基站覆盖10个城市和二期建网以2.3万个基站覆盖28个城市相比，TD三期建网以3.9万个基站覆盖200个城市。要实现200个城市的覆盖，总计大概需要10万个基站。中国电信和中国联通在3G建设方面给中国移动带来巨大压力，中国移动发现直接上TD-LTE行不通，必须要加大TD网络的建设力度，要保证重点城市的数据业务需求，否则可能失去一些高端用户，会造成在2G和LTE之间的断档。

但事实上并不是TD需要一体化连接，在此技术成熟之时，WCDMA和CDMA2000，TD-LTE,FDD-LTE也会加入智能一体化的行列其潜在的数量远不止这个数字。

根据公司目前的市场调查结果表明：这里面的市场份额相当部分被国外一些大公司所垄断（如HUBER+SUHNER, Radiall等公司），像HUBER+SUHNER公司在此项目上也不遗余力，开发新的产品与此配套。此外，他们正准备为诺基亚、爱立信、西门子等一些大的通信公司配套。而像我们国内的一些大的通信公司也都是进口国外的产品。但国外的公司又存在以下的一些弊端：产品价格昂贵、订货交货周期长、服务线长等等都无法避免。随着近年国内连接器行业的发展，再加上TD-SCDMA作为拥有自主知识产权的标准TD给国内连接器厂商带来的商机是巨大的。大唐移动、中兴、鼎桥、华为作为TD-SCDMA通信设备制造商，只要我们的产品在性能上同国外的产品相当，而我们的价格优势及产品成本却是显而易见的。

目前智能天线一体化的主要用户有：大型TD设备制造商如中兴、大唐移动、华为、新邮通、上海阿尔卡特等；智能天线生产厂家有如摩比天线、海天天线，中山通宇等；系统集成商如京信通信、烽火科技、杭州三维、武汉正维、UT斯达康等。

中国移动、中国电信、中国网通将在10个城市和地区开展TD-SCDMA网络的试商用，在TD-SCDMA友好用户测试上，目前的整体规模大致为100多个基站、5000多个终端。目前TD-SCDMA基站的平均售价在50万元人民币左右(根据基站容量等参数的不同会有所浮动)。根据大唐移动的一个商用试验网天馈系统就用到连接器及组件近3000万元人民币。预计今年的TD天馈系统连接器及跳线需求将达到10亿元人民币，近几年还将以50%的幅度增长，国内厂家的市场份额将与同外公司平分秋色。

正是基于TD-SCDMA连接器广阔的市场前景和高额的投资回报，公司前期进行了大规模的研发投入。经过一年多的产品开发和市场拓展，对该系统的产品销售基础已初具规模，产品的性能也接近国际水平。目前公司也在对规模化生产该系列产品的进行资本投入，专业CNC生产线的建立也初具规模。

6. 结束语

公司对此连接器进行了全面的验证，并制定了相关的企业标准，并在2008年通过了第三方验证。两年来公司建设该产品的生产线扩大生产，已完成了几次批量验证，还未发现连接器的失效。希望此连接器用于更广泛的空间，并能加以推广，造福通信行业。

参考文献：

[1] 射频同轴连接器设计 1970.12

[2] IEC61169-36Radio-frequency connectors - Part 36: Micro miniatureR.F. connectors with snap-on coupling - Characteristic impedance 50 Ohms (Type MCX)

[3] Ansoft High Frequency Structure Simulator v10 User’s Guide