基于有限元法的SMP射频连接器PCB接口性能研究

青 春，李 凯，李海峰，郝健男，王 璐

(1.沈阳兴华航空电器有限责任公司，辽宁沈阳，110144；2.军代表室，辽宁沈阳，110144)

1 引言

目前，板对板同轴互连解决方案在通信设备模块互连中的应用越来越广泛，如通信基站、直放站、GPS等设备。随着我国5G基站的推进特别是近年来对于5G新基建的大力投资，该互连解决方案的需求将进一步增加。其中，SMP是其中使用较为广泛的接口形式之一。

针对板间射频这一巨大的市场需求，国内外公司及专家纷纷提出自己的板对板互连解决方案。上海雷迪埃公司对SMP-MAX及PCB整体进行了仿真设计[1]；对板对板MSR射频同轴连接器进行了研发[2]；上海贝尔公司对无线通讯基站设备的互连设计进行了深入的研究[3]；南京航空航天大学对SMP板间连接器及转接器进行了仿真及设计[4]，以上研究对板间射频连接器对发展起到了积极的推动作用。

本文以计算机辅助计算平台为工具，对SMP板间射频同轴连接器与微带线结构PCB间的互连接口进行了仿真计算和优化设计，分析了残桩、反焊盘尺寸、连接器内插针直径等参数对于接口传输性能的影响，计算了0～40GHz频带范围内接口插入损耗、回波损耗、电压驻波比、特性阻抗等关键传输特性参数的理论值，为二者互连接口设计提供了理论指导。

2 连接器及PCB接口基本尺寸设计

2.1 连接器设计

按照GJB5246-2004《射频连接器界面》规定和特性阻抗计算公式(1-1)完成SMP板间射频连接器结构及参数设计，保证其特性阻抗满足50Ω±5Ω要求，特性阻抗公式如下[5]：

(1)

其中，Z0为特性阻抗；ε表示相对介电常数；D表示外壳体内径；d表示内插针外径。连接器的具体结构如图1所示，内插针通过倒刺与绝缘体进行固定，参数指标如下：

图1 SMP连接器内部结构

2.2 PCB设计

连接器接口尺寸如图2所示。其中，壳体接地引脚截面尺寸为0.50mm×0.50mm，信号插针直径为Φ0.6mm，接口性能指标要求如表1所示。

图2 连接器接口尺寸

表1 接口传输性能指标要求

为简化工艺，避免二次背钻，PCB采用微带线表层走线，走线宽度为15mil，走线长度60mm，外形尺寸为50mm×100mm，叠层结构设计如表2和图3所示。

表2 层叠设计

图3 PCB叠层结构

3 残桩影响分析

为了分析有无残桩对接口传输性能的影响，对互连接口其进行了仿真计算。图5～图9及表3为仿真模型及计算结果。其中，实线为无残桩时接口传输参数计算结果，虚线为有残桩时接口传输参数计算结果。

图4 PCB叠层模型

图5 PCB及接口焊盘模型

图6 连接器与PCB组合仿真模型

图7 有残桩模型

图8 无残桩模型

图9 有无残桩高频性能仿真结果

表3 无残桩与有残桩传输性能对比表

由仿真计算结果可知，无残桩结构接口各传输参数指标均优于有残桩时的指标，说明残桩对接口的高频传输性能具有较大影响，是关系到高频信号能够正常工作的关键因素之一。

4 接口尺寸优化

构建无残桩板间射频连接器与微带线结构PCB互连接口模型，对接口参数进行进一步的调整和优化。为满足接触可靠性和工艺要求，将焊盘最小直径设为Φ0.7mm，在此基础上对反焊盘尺寸进行优化，计算结果如图11及表4、表5所示。

图10 无残桩SMP板间射频连接器与微带线结构PCB互连仿真模型

图11 仿真优化结果

表4 优化结果表(DC～20GHz)

表5 优化结果表(20GHz～40GHz)

由计算结果可知，反焊盘直径尺寸为Φ60mil(即Φ1.524mm)时， DC～20GHz频带范围内，TDR曲线波动最小，接口性能最优；由于SMP同轴连接器带宽的限制，造成20GHz～40GHz频率范围内互连接口回波损耗和电压驻波等指标不能满足规定要求。

将射频连接器满足的通频带宽调整为DC～40GHz(内插针直径Φ0.56mm, 外壳体内径Φ1.3mm,焊盘接触直径Φ0.38mm)重新计算，仿真结果如图12及表6所示。其中，虚线为采用DC～40GHz通频带宽板间射频连接器时的计算结果。可以发现，调整之后，接口传输性能满足指标要求。

表6 不同内插针体直径下的高频传输特性

图12 不同直径插针仿真结果对比

5 结论

本文以SMP板间射频连接器与微带线结构PCB互连接口的传输参数为研究对象，分析了残桩、焊盘、反焊盘、内插针直径等因素对PCB接口传输性能的影响。通过仿真计算得到了不同边界尺寸条件下插入损耗、回波损耗、电压驻波比、特性阻抗等关键参数的理论值，为板间射频连接器与PCB互连接口的高频传输参数设计提供了理论指导。