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如何为毫米波应用可靠地对准压接式连接器

Jean-Jacques DeLisle，IXS

在低于几GHz时，如果采用良好的设计，焊接工艺变化和其他制造和装配因素的影响通常是良性的。在几十GHz时，制造和装配变化的影响变得足够大，以至于对许多应用来说，让信号路径中的公差最小是至关重要的。这就是为什么压接安装的测试连接器正在成为测试、原型设计和诊断应用中高频段毫米波互连的一个越来越流行的解决方案。另一个需要考虑的因素是，压接式连接器也很紧凑，这很有优势，因为现在许多高频段毫米波应用在电路板上的互连密度也大得多，可用的电路板空间越来越小。

然而，这些连接器并非没有挑战。紧凑的外形和必要的小尺寸导致了错位的可能性增大，因为这些连接器和着陆垫（landing pad）的公差是非常严格的。同轴压接式连接器完全有可能在不知道的情况下发生错位，直到测试开始，观察到无法预料的测试结果时才被发现。幸运的是，现在有一个解决这个难题的办法，它提供了一个易于看到的正确对齐的视觉指示，加快了压接式连接器的组装和对准。

为什么是压接式连接器？

对达到和超过90GHz的精密高频测试连接器的需求越来越大。在回程和网络基础设施中使用的更高的数据速率使得有必要使用射频测试设备进行开发、验证甚至是故障排除。毫米波通信和传感系统的组件，即使是在低频V波段工作的设备，也经常需要在其最大工作频率的许多倍进行测试，以捕捉非线性和谐波性能。

无论是平面传输线还是同轴传输线，其最大频率都是由导体的尺寸和它们之间的间距决定的。为了实现更高频率的传输线，同轴连接器和电缆中的平面导线和同轴导体的几何形状必须比低频的波长小。对于某些应用，这是有利的，因为它允许更高的互连密度。这方面的一个例子是在高频段毫米波范围内运行的先进/主动天线系统的大量天线馈电。

随着互连的物理尺寸缩小，与互连放置和固定有关的公差也需要更严格，这意味着许多适合较大互连的对准策略在微小的高频互连中不再可行。

PCB表面迹线互连解决方案的主要参数：

·           带宽（Hz）

·           插入损耗（dB）

·           回波损耗(dB)

·           VSWR

·           阻抗，通常为50或100Ω

·           功率处理能力（dB），通常指定为连续波和/或峰值

·           可重复性

·           易用性和设置

·           费用

PCB表面迹线互连解决方案

有多种高频互连方法用于将测试和诊断设备连接到PCB上的表面迹线或着陆垫，每种方法都有优缺点。同轴互连和宽带平面传输线在这些宽带应用中很常见。因此，互连的挑战是确保平面传输线的着陆垫与高频测试设备的测试导线之间的可靠、可重复、高精度的连接。

PCB表面迹线互连解决方案：

·           同轴电缆直接焊接在表面的平面传输线上

·           同轴连接器，可以焊接在表面、通孔、或边缘。

·           预制或定制的一次性焊接测试引线

·           同轴探头站

·           压接式连接器，可以是表面安装或边缘安装

传统的方法是将同轴电缆的中心导体和外导体（屏蔽）直接焊接到电路板的着陆垫上。这通常用于桥接两条表面传输线，或在使用一半的同轴电缆总成连接表面传输线和外部设备时。虽然这种方法是可行的，但手工焊接和手工准备的同轴电缆截断部分所能达到的公差较大，这意味着这种方法可能具有最低的精度和可重复性。根据所使用的技术，这种方法很可能不适合毫米波应用，除非由熟练的技术人员用专门的设备进行操作。

一种更方便、更普遍的方法是使用表面、通孔或边缘安装的同轴连接器，用焊料连接到着陆垫上。如果粘合得当，这种方法可以提供一个坚固的连接，既可靠又紧凑。这种方法确实需要一些努力来确保对准，但一些类型的连接器可以通过拾取和放置技术自动组装。这种方法的主要问题是同轴连接器的中心针和地线与着陆垫之间的焊点的公差限制。在100GHz，自由空间的波长约为3毫米。一个常见的经验法则是，在一个波长的十分之一甚至二十分之一的几何尺寸是很重要的。这意味着对于高精度和可重复的互连应用来说，实现小于300微米甚至150微米的焊接连接尺寸是必须的。如果没有熟练技术人员的专业知识和专门工具，这很难手工完成，但它在机器组装的能力范围内。

解决重复性问题的一个方案是使用预制或定制的焊接测试引线。然而，这种解决方案的频率限制使其更适合与示波器一起使用，以探测几GHz的时域信号。这些连接类型只能够达到20GHz的最大频率。它们的使用成本也很高，而且往往只限于一次性使用或最多使用几次。最终，这些类型的连接器不适合高频段毫米波应用。

另一种方法是避免将测试引线连接到着陆垫上，而是将传输线的精密触点压到着陆垫上。探头站可以测试这些板级测试点和传输线，同时只对测试板产生最小的影响。一些精密探头使用带有波导互连的地面-信号-地面类型的探头尖，能达到500GHz的带宽。另外，精密探头使用同轴互连可以达到145GHz。有些探头在一个探头头端上有多条信号线，这可以帮助测试多条高速差分线。然而，使用精密探头需要一个探头站，这通常是一大资本支出项目，还需要有经验的技术人员来操作。

压接式连接器的好处

高精度毫米波互连的另一个常见选择是螺纹式同轴压接式连接器。这种类型的连接器正变得越来越流行，因为它易于使用，可重复使用，可重复性和性能高。压接式连接器很像焊接的同轴连接器，不同的是，中心导体和地线的连接是通过精密设计的压接接触面进行的，类似于探头站，它们不需要焊接来连接。相反，通常使用安装螺钉来提供固定和校准。

由于不需要焊接和通孔，表面安装压接式连接器可以用在电路板表面的任何地方，而不仅仅是边缘。端面压接式连接器需要在板子的边缘有一个精密的铣削面，相对于表面的平面传输线精确定位。这并不适合所有的测试应用，因此，可以连接到表面任何地方的安装孔的表面安装压接式连接器可以避免将平面传输线走到板子的边缘。

压接式连接器对准的常见方法

毫米波压接式连接器的尺寸很紧凑。能够提供40GHz最大无模式工作频率的2.92毫米板连接器的总体尺寸通常约为10x6毫米，安装螺钉之间的间距约为7毫米。对于1.35毫米的电路板连接器，这些尺寸缩小到大约10x4毫米，间距相似。然而，2.92毫米连接器的中心触点直径约为508微米，而1.35毫米连接器的中心触点是其一半，为254微米。这些连接器的着陆垫的宽度与中心针直径的尺寸大致相同。这意味着用1.35毫米的连接器实现最佳互连的公差大约是2.92毫米连接器的一半，几乎没有误差。

需要有方法来确保这些连接器的对准，以便连接是精确和可重复的。最常见的方法是依靠用于将压接式连接器固定在射频板上的螺钉。另一种常见的方法是使用对准针，将其插入连接器和电路板上的对位槽。

这些方法有一些挑战。PCB制造过程分几个阶段进行，大尺寸的板子要在不同的机器上进行蚀刻、焊接掩膜、丝印和铣削。这些板子可能由不同的操作人员在高节奏的制造环境中处理，这意味着在每个工作阶段都要对大幅面印刷电路板进行标引，通常使用机械和视觉指示。

夹具可以按照合理的公差来制造，但它在不同的板子上是不同的。一块板的加工公差也会因工具类型、工具磨损、操作者技能和机器校准而变化。这导致了蚀刻和加工操作之间的累积公差很容易达到数百微米。由于这种公差累积与高频段毫米波互连中使用的接触面积和迹线宽度是同一数量级，因此很容易导致螺钉或针脚与PCB的对应位置没对准的问题。这种分析不包括与制造螺钉或对准针以及连接器外壳安装孔有关的潜在公差问题，这也会对这些方法的整体对准精度产生影响。这些公差问题的一些例子显示在图1中。

如图2所示，对准问题也可能使两个螺丝之间有足够的"间隙"，从而允许围绕同轴连接器的轴线发生不想要的旋转。信号线和连接器外壳的地线之间的尺寸对连接界面的电气性能至关重要，所以这种类型的错位会导致传输线性能下降，使测试复杂化，并可能使测试结果无效。由螺丝和针脚对准技术造成的轻微错位，装配人员也可能难以发现。操作员可能只有在电气测试时才会意识到这个问题，这时排除连接故障的难度可能会相当大。

最好是使用视觉对准工具或指示器来获得对准的明确指示。通常情况下，外罩的周边是这些类型的压接式连接器的唯一特征，可以提供有用的视觉对准指示。这些连接器的外壳上通常有一些平坦的表面，但这通常不被认为是一个关键的特征，所以这些表面可能不会像同轴导体的内部特征那样被加工到相同的公差水平。

电气测试一直是确保这些连接器对准的主要方法。这通常是通过测量被测设备或被测系统的性能并确认其符合电气公差来实现的。另外，也可以用时域反射仪（TDR）或网络分析仪来测试互连。图3a显示了对准和错位的连接器的TDR结果，图3b显示了对准和错位的连接器的回损结果。如果与其他射频硬件有其他互连问题，传输线有缺陷或电路板和射频硬件之间的互连有问题，这种类型的测试可能会很耗时，而且可能产生误导。

用于压接式连接器的新视觉对准技术

为了可靠地实现这些小尺寸毫米波连接器的对准，需要在压接式连接器和PCB上设计一个视觉指示对准功能。在PCB上使用靶标是自动元件放置（取放机）的标准做法。这种技术也被用来对准形状不规则或较大的部件，如电感器、电容器和晶体管。在表面迹线的着陆垫附近使用PCB表面金属靶标已成为良好的做法，以尽量减少金属蚀刻工艺引起的对准公差问题。

另一种可能性是在连接器外壳的可见区域设置精确的指示，这些指示被设计成与PCB的靶标对齐。在压接式连接器的同轴区域不可能有视觉指示，因为这个区域在安装过程中被同轴外壳掩盖了。这些视觉指示应尽可能靠近连接器主体，同时在组装过程中容易被看到。另外，这些视觉指示应靠近PCB表面，以尽量减少因视角造成的潜在错位。举例来说，在压接式连接器底座的对面，精密加工的对位槽可以提供必要的视觉指示。

Samtec的新型螺纹压接式连接器是这种方法的一个例子，如图4a和图4b所示，在连接器外壳的底部加工了视觉对位槽。这种方法可以直观地显示压接式连接器与PCB表面金属层的任何X、Y或旋转错位。如果PCB上的靶标是专门为连接器对准而设计的，就可以直观地保证连接器中心针和平面传输线迹的凹槽将与PCB着陆垫对准。

测试的准确性和可重复性是工作在高频段毫米波的设备的主要关注点。一个合适的互连解决方案应该能够在几个安装周期内提供良好的性能和可重复性。图5绘制了10个样品的测量到的VSWR（使用双端口网络分析仪进行了5次测试），其中1.35毫米压接安装的同轴连接器被组装在平面传输线的两侧。使用这种方法，可以从端口1和端口2的连接器中提取VSWR性能。

图5中的VSW结果显示了出色的性能，特别是在50和80GHz之间。在连接器的截止频率处，VSWR低于1.2:1。在安装过程中保持对准是很重要的。因为将测试电缆连接到连接器上会产生一些旋转，在连接和断开测试电缆时，可以使用防旋转工具来固定连接器。这通常是用一把扳手或一对钳子来抵消用于将同轴连接器拧紧的扭矩扳手的力量。

结论

为了使连接器能够在更高的频率和互连密度下占用最小的电路板面积，整个互连解决方案需要非常紧凑。在高频率下，将连接器的中心针精确地对准着陆垫，既是一种挑战，也是一种关键要求。Samtec新的螺纹压接式连接器的视觉对准技术有助于解决与毫米波连接器相关的对准挑战。

图1 螺钉或销钉与印刷电路板上的加工孔对准时可能产生的公差问题。

图2 PCB上的压接式连接器的旋转错位（a）和正确对准（b）。

图3 对准和错位的1.35毫米压接式连接器的TDR测量结果（a）。对准和错位的连接器在着陆区的回波损耗（b）。

图4 1.35毫米螺纹压接式同轴连接器上的视觉对位槽的侧视图（a）和俯视图（b）。

图5 Samtec的1.35mm螺纹压接式同轴连接器的2端口测试的VSWR图。