Радиочастотные соединители для поверхностного монтажа.
Часть 2. Микроминиатюрные и ультраминиатюрные соединители.
Справочные материалы

Часть 1.

Соединители SMP и SMPM

Создание компанией Gilbert Corning (США) в 80‑х годах прошлого столетия соединителей GPO (Gilbert Push-On) с предельной частотой 40 ГГц ознаменовало начало освоения миллиметрового диапазона длин волн радиочастотными соединителями, работающими на принципе защелкивания (push-on, snap-on) [1]. Эти соединители под разными названиями — SMP, GPO, MMSP, OSMP, SMPX — выпускают более 30 зарубежных компаний. Соединители SMP привлекли внимание разработчиков СВЧ-изделий своей миниатюрностью, отсутствием резьбового соединения вилки и розетки и возможностью соединения печатных плат и модулей СВЧ с использованием адаптера bullet при межцентровом расстоянии между соединителями всего 4,3 мм и аксиальной и радиальной несоосностях до 0,25 мм [1].

В дальнейшем были разработаны миниатюрные аналоги этих соединителей — соединители SMPM с предельной частотой 65 ГГц, которые зарубежные компании выпускают под разными названиями — GPPO, MINI-SMP, MSSS, SMPS, MMPX.

Для установки на поверхность печатной платы созданы миниатюрные прямые вилки трех типов: с полным (Full Detent) или ограниченным (Limited Detent) защелкиванием, а также со скользящим соединением (Smooth Bore, Catcher’s Mitt). При этом для соединения с вилками всех типов применяется одна и та же кабельная розетка. Интерфейс вилки и розетки и соединители SMP компании Rosenberger — прямые вилки 19S102-40ML5, 19S101-40ML5, 19S10D‑40ML5, 19S103-500L5, 19S144-40ML5, угловая вилка 19S201-40ML5 и адаптер bullet — показаны на рис. 1.

Рис. 1. Интерфейс вилки и розетки:
а) розетка, вилки;
б) 19S102-40ML5;
в) 19S101-40ML5;
г) 19S10D 40ML5;
д) 19S103-500L5;
е) 19S144-40ML5;
ж) 19S201-40ML5;
з) адаптер bullet

Интерфейс вилки и розетки соединителей SMPM (полное защелкивание) и прямая вилка 18S101-40ML5 компании Rosenberger представлены на рис. 2.

Рис. 2.
а) Интерфейс вилки и розетки соединителей SMPM;
б) вилка 18S101-40ML5

Вилки SMP для полного и ограниченного защелкивания отличаются лишь ∅А: в первом случае ∅А равен 2,9^+0,1 мм, во втором — 3^+0,1 мм. При меньшем диаметре происходит большее сжатие пружинящей входной части розетки и более полное защелкивание. Скользящее соединение осуществляется за счет распружинивания выступа (∅B) розетки после ее введения в вилку, имеющую гладкую (без канавки) внутреннюю поверхность. Разновидностью скользящего соединения является соединение Catcher’s Mitt, отличающееся более широкой (под углом 45°) заходной фаской на вилке, благодаря которой облегчается соединение вилки и розетки в случае их несоосности в момент стыковки.

Соединители SMP для поверхностного монтажа выпускают Gilbert Corning, Micro-Mode, Amphenol (SV Microwave) — все США, Rosenberger (Германия), Radiall (Франция), Huber+Suhner (Швейцария), Jyebao (Тайвань) и многие другие иностранные компании. В таблице 1 приведены характеристики соединителей только четырех ведущих компаний, информация о соединителях других компаний содержится в [1].

Примечание. В таблице приняты следующие обозначения:
FD (Full Detent) — полное защелкивание;
LD (Limited Detent) — ограниченное защелкивание;
> SB, СM (Smooth Bore, Catcher’s Mitt) — скользящее соединение;
f — частота, ГГц;
f_пред. — предельная частота, ГГц;
DC (direct current) — постоянный ток;
a — потери, дБ;
> U_раб. — рабочее напряжение, В;
P_доп. — допустимая пропускаемая мощность, Вт.

Следует с осторожностью относиться к рекламным материалам зарубежных компаний, в которых предельная частота выпускаемых ими соединителей SMP указана 40 ГГц, а SMPM — 65 ГГц. Действительно, коаксиальная линия соединителя SMP рассчитана на предельную частоту 40 ГГц, а соединителя SMPM — 65 ГГц. Поэтому компании Huber+Suhner и Micro-Mode, приводя значение предельной частоты выпускаемых ими соединителей, делают примечание for interface only (только для интерфейса). Однако предельная частота соединителей SMP и SMPM зависит от их конструкции, назначения и способа установки на печатную плату. Вот почему только на частотах до 26,5 ГГц компании гарантируют приемлемый уровень КСВн и потерь у соединителей SMP и SMPM, предназначенных для поверхностного монтажа.

Соединители MMT и MMS

Эти соединители разработаны компанией Radiall специально для обеспечения полной совместимости с технологией поверхностного монтажа на печатные платы активных и пассивных компонентов. Первым был соединитель ММТ (Micro Miniature T), стремление к дальнейшей миниатюризации привело к созданию соединителя MMS (Micro Miniature Surface Mount). По конструкции он аналогичен соединителю ММТ, но миниатюрнее его. Соединитель-розетку устанавливают на контактную площадку платы (размером 1,2×1,5 мм) на трех гибких выводах, обеспечивающих его устойчивость во время автоматизированной операции посадки, и затем соединяют с кабельной вилкой защелкиванием (рис. 3).

Рис. 3. Соединители, установленные на печатную плату:
а) ММТ;
б) MMS;
в) розетка MMS R209.408.012

Высота в сборе пары «вилка–розетка» соединителей MMS составляет 5,2 мм, соединителей ММТ — 6,9 мм. Выводы энергии ММТ и MMS поставляются в специальной антистатической полиэстеровой таре (в ленте, намотанной на катушку) партиями 100, 500 и 3000 штук.

Компания Radiall выпускает по одному типу каждого из соединителей ММТ и MMS прямая розетка:

• ММТ: R210.408.012 (упаковка 100 шт.), R210.408.052 (500 шт.), R210.408.302 (3000 шт.). Основные параметры соединителей: предельная частота 8 ГГц; КСВн — 1,15 (DC–6 ГГц); потери ≤0,2√f, дБ; рабочее напряжение 170 В; допустимое количество соединений 500; диапазон рабочих температур –55…+155 °С.
• MMS: R209.408.012 (100 шт.), R209.408.052 (500 шт.), R209.408.052 (3000 шт.). Основные параметры соединителей: предельная частота 6 ГГц; потери 0,2 дБ; КСВн — 1,35 (DC–6 ГГц); рабочее напряжение 50 В; допустимое количество соединений 50; диапазон рабочих температур –40…+90 °С.

Более миниатюрные соединители MMS проигрывают соединителям ММТ по широкополосности, допустимому количеству соединений, величине рабочего напряжения и диапазону рабочих температур.

Соединители UMP

Продолжая работы по миниатюризации соединителей для поверхностного монтажа, компания Radiall предложила серию оригинальных ультраминиатюрных соединителей MMP (Micro Miniature Pressure contact), в которую вошли соединители UMP и IMP.

Соединители UMP с прессовым контактом — выводы энергии (SMT Receptacles) предназначены для передачи сигнала с печатной платы на коаксиальный кабель (board to wire application) — рис. 4.

Рис. 4. Соединитель UMP на печатной плате

Они имеют приемлемые электрические параметры при рекордно малых размерах по сравнению с соединителями других типов — высота соединения у них составляет от 2 до 3 мм (рис. 5).

Рис. 5. Высота соединителей розетка в паре с кабельными вилками (данные компании Radiall)

Для соединения с выводом энергии одного и того же типа компания Radiall разработала кабельные соединители трех типов (кабель диаметром 0,8–2,6 мм):

• со скользящим контактом, применяется в измерительных устройствах;
• с защелкиванием (snap-on), для рассоединения не требуется специальный инструмент;
• с блокировкой (lock) для работы в условиях жестких вибраций, рассоединение производится специальным инструментом.

Соединители UMP применяют в изделиях микроэлектроники с высокой плотностью монтажа, действующих в частотном диапазоне до 6 ГГц. При установке на плату вывод энергии UMP занимает площадь всего 15,8 мм² (4,4×3,6 мм), его масса — 0,03 г.

Разработаны четыре модификации соединителей UMP: R107.003.010 (высота 2 мм), R107.003.030 (высота 2,6 мм), R107.003.040 и R107.303.040 (высота 3 мм). Кроме того, выпускаются три соединителя в немагнитном исполнении: R107.103.087 (высота 2 мм), R107.103.097 (высота 2,6 мм) и R107.303.197 (высота 3 мм).

Соединители UMP поставляют в антистатической упаковке (лента на катушке) партиями от 100 до 4000 штук. Параметры соединителей UMP: КСВн — 1,05+0,03f (DC–6 ГГц); потери — 0,2√f, дБ; рабочее напряжение 100 В; допустимая пропускаемая мощность 50 Вт (на уровне моря, частота 1,8 ГГц); допустимое количество соединений 100 (скользя-щее соединение), 3000 (защелкивание), 10 000 (блокировка); диапазон рабочих температур –40…+125 °С.

Соединители IMP

Соединители IMP (Interconnect Ultraminia-ture Pressure) предназначены для соединения между собой печатных плат (board to board application), расстояние между которыми 2 или 3 мм. На рис. 6 показаны схема соединения печатных плат (PCB) с помощью IMP и внешний вид соединителей IMP — соединители R107.064.070 и R107.064.900 компании Radiall и MCE‑20B-G01 компании Sunridge (Тайвань).

Рис. 6.
а) Схема соединения печатных плат;
б) соединители R107.064.070 и R107.064.900;
в) MCE 20B-G01

Компания Radiall выпускает соединители IMP двух типов, высотой H2 и H3 мм, упакованные в полиэстеровую ленту:

• H2 мм — R107.064.070 (100 шт.) и R107.064.080 (3500 шт.);
• H3 мм — R107.064.900 (2500 шт.), R107.064.910 (600 шт.) и R107.064.920 (100 шт.).

IMP — один из самых миниатюрных и легких соединителей: масса соединителя высотой 3 мм всего 0,02 г. Параметры соединителей IMP: КСВн — 1,1+0,03f(DC–6 ГГц); потери — 0,2√f, дБ; рабочее напряжение 100 В; допустимая пропускаемая мощность 20 Вт (на уровне моря, частота 3 ГГц); допустимое количество соединений плат более 20; диапазон рабочих температур –40…+125 °С.

Компания Sunridge (www.sunridgecorp.com) выпускает MCE-серию ультраминиатюрных соединителей, аналогичных по конструкции и параметрам соединителям IMP компании Radiall. Розетка для поверхностного монтажа MCE‑20A-G01 позволяет соединять печатные платы, расстояние между которыми от 1,9 до 2,15 мм, размеры контактной площадки на плате для установки соединителя — 3,2×4,5 мм, его высота 2 мм. Розетка MCE‑20В‑G01 обеспечивает расстояние между соединяемыми платами 2 мм, а MCE‑15В‑G01 — 1,5 мм. Допустимое количество соединений и рассоединений плат не менее 10.

Соединители компаний HIROSE, MURATA, SUNRIDGE, DAI-ICHI SEIKO, AMPHENOL, TE CONNECTIVITY

Прежде всего, отметим, что в соединителях для поверхностного монтажа этих компаний материалом для изготовления изолятора являются LCP (Liquid Cristal Polymer) компании Du Pont, реже — Torlon 4203 (Poliamide — Imide) и Engineering Plastic. По имеющейся информации, в нашей стране компаунд LCP не производится.

Компания Hirose разработала и выпускает для установки на печатные платы:

• Семь серий соединителей «вилка» (Plug/Receptacle): U.FL, W.FL, W.FL2, H.FL, E.FL, X.FL, N.FL. Высота соединения вилки из этих серий и кабельного соединителя соответственно равна: 2 и 2,4; 1,55; 1,3; 3; 3; 1 и 1,4 мм. Размеры контактной площадки на плате для установки вилок этих серий равны: 3,1×3; 2×2; 2×2; 4,5×4,5; 3,4×3,4; 2×2; 3,1×3,1 мм.
• Угловые кабельные соединители розетка (Right Angle R/SMT) для сочетания с соединителями на плате. Соединители поставляют, как правило, в составе кабельных сборок. В сборках применены ультратонкие кабели с наружным диаметром 0,81–1,37 мм компаний Hitachi Cable, Nissei Electric, Junkosh. В качестве изоляции в кабелях использованы диэлектрики FEP, реже — PFA [2, 3]. Кабель Hitachi № 0322-1-000‑S‑0100 (∅1,13 мм, материал изоляции PFA, оболочки — FEP) имеет удельную емкость 98 пФ/м; потери на частоте 6 ГГц — 6,7 дБ/м; время задержки сигнала — 4,6 нс/м [4].
• Адаптеры Hirose — SMA, вилка и розетка.
• На рис. 7 показаны соединители Hirose популярных серий U.FL, W.FL и H.FL. Корпус и центральный контакт вилки изготовлены из фосфористой бронзы, покрытие корпуса — серебро, контакта — золото. Материал изолятора — LCP.

Рис. 7. Соединители Hirose серий U.FL, W.FL и H.FL

Информация о соединителях U.FL, W.FL и H.FL приведена в таблице 2. Соединители имеют следующие параметры: диапазон рабочих частот 0–6 ГГц; рабочее напряжение 100 В; напряжение пробоя 250 В; сопротивление изоляции не менее 500 МОм; диапазон рабочих температур: –40…+90 °C. Максимальный КСВн = 1,3 (DC–3 ГГц), 1,4 (3–6 ГГц). Допустимое количество соединений и рассоединений 50 (для соединителей серии NFL — 20).

Соединители U.FL применяют в ноутбуках, мобильных телефонах, встраиваемых системах для подключения Wi-Fi-антенны. Как и многие другие электронные компоненты, соединители компании Hirose защищены патентами.

Другие компании также выпускают аналогичные соединители под разными названиями: IPEX, IPAX, IPX, AMC, MHF and UMCC (Ultra Miniature Coax Connectors).

Компания Murata (www.murata.com) разработала розетку для поверхностного монтажа — вывод энергии HSC SMT Receptacle — MM4829-2702RA4, которая обеспечивает высоту соединения с кабельной вилкой 1,2 мм. Параметры этого соединителя: диапазон рабочих частот DC–6 ГГц; КСВн не более 1,3 в диапазоне частот DC-3 ГГц и не более 1,45 в диапазоне частот 3-6 ГГц; рабочее напряжение 30 В; диапазон рабочих температур: –40…+85 °C; допустимое количество соединений не менее 30.

Кроме того, этой компанией созданы вывод энергии HSC SMT Receptacle — MM5829-2700 с предельной частотой 12 ГГц; соединители-переключатели четырех модификаций: MM8030-2610, MM8430-2610, MM8130-2600, MM8930-2600, а также большое количество кабельных соединителей и кабельных сборок.

Соединители Murata показаны на рис. 8.

Рис. 8. Соединители:
а) MM4829-2702RA4;
б) MM5829-2700;
в) MM8030-2610RA2

Компания Sunridge выпускает розетку MCD-ST‑00T и серию кабельных сборок для вывода сигнала с печатной платы на радиочастотный кабель, аналогичные соединителям U.FL компании Hirose. Розетка занимает площадь на печатной плате всего 4 мм² (2×2 мм), высота соединения с кабельной вилкой не более 1,55 мм, допустимое количество соединений не менее 20. В диапазоне частот DC–6 ГГц КСВн не превышает 1,3. Кроме того, разработаны соединители:

• MCB ST‑00T (высота соединения 2 мм, размеры контактной площадки на плате 3,1×3 мм) и MCD ST‑00T (высота соединения 1,55 мм, размеры контактной площадки 2,6×2,58 мм) — аналоги соединителей U.FL компании Hirose;
• MCA- и MCC-серий, аналогичные соединителям Murata. Соединители серии MCA выпускает также китайская компания Shenzhen.

Аналоги соединителей U.FL Hirose — соединители серии IPX компании Lighthorse работают в диапазоне частот DC–6 ГГц, обеспечивают соединение с кабельной вилкой высотой 2,5 мм и занимают на печатной плате площадь 9 мм² (3×3 мм).

Японская компания Dai-ichi Seiko (www.daiichi-seiko.co.jp) разработала большую серию соединителей IPEX для поверхностного монтажа и кабельных вилок, в которых применен оригинальный способ I‑Fit connection установки кабеля в вилку (патенты USA 6.790.082 и Japan 4148339), — рис. 9.

Рис. 9.
а) Соединители «розетка» и «вилка» IPEX;
б) серия кабельных соединителей MHF;
в) схема соединения I Fit

Компания Dai-ichi Seiko выпускает 14 серий соединителей (MHF Receptacle):

• MHF-A № 20429-001E, высота 0,63 мм, размеры в плане 2,6×2,6 мм, размеры контактной площадки 3,8×3,9 мм, высота соединения с кабельной вилкой (кабель диаметром 1,13 мм) — 1,45 мм max;
• MHFII № 20441-001E и № 20279-001E, размеры контактной площадки 3×3,1 мм, высота соединения с кабельной вилкой 1,25 мм max;
• MHFIII № 20369-001E, высота 0,82 мм, размеры в плане 1,7×1,7 мм, размеры контактной площадки 2,6×2,6 мм, высота соединения с кабельной вилкой 1,6 мм max;
• MHF4 № 20449-001E и № 20579-001E, высота 0,6 и 0,56 мм, размеры в плане 2×2 мм, размеры контактной площадки 2,5×2,5 мм, высота соединения с кабельной вилкой 20572-001R (кабель диаметром 0,8 мм) 1,2–1,4 мм;
• MHF5 № 20566-001E, высота 0,56 мм, размеры в плане 2×2 мм, размеры контактной площадки 2,6×2,6 мм, высота соединения с кабельной вилкой 1 мм;
• MHF-SW18 (переключатель-соединитель) № 20608-001E, высота 0,85 мм, размеры в плане 1,8×1,8 мм, размеры контактной площадки 1,9×2 мм;
• MHF-SW23 (переключатель-соединитель) № 20549-001E, высота 1,35 мм, размеры в плане 2,3×2,3 мм, размеры контактной площадки 2,4×2,5 мм.
• Компания Dai-ichi Seiko выпускает большую серию кабельных соединителей для сборок с кабелями с наружным диаметром 0,64; 0,81;0,95; 1,13; 1,32; 1,37 и 1,8 мм.

Параметры соединителей Dai-ichi Seiko: диапазон рабочих частот DC–6 ГГц, максимальный КСВн в рабочем диапазоне частот 1,45, рабочее напряжение 100 В, диапазон рабочих температур: –40…+90 °C. Соединители поставляются в ленте на катушке партиями до 5000 штук.

Три модификации ультраминиатюрных выводов энергии для поверхностного монтажа выпускает компания Taoglas (www.taoglas.com):

• RECE-20279-001E — аналог соединителей IPEX MHF, MHFII и U.Fl Hirose;
• RECE-20369-001E — аналог соединителей IPEX MHFIII;
• RECE-20449-001E — аналог соединителей IPEX MHF4.

Компания Lighthorse (www.rfconnector.com) предлагает вывод энергии для поверхностного монтажа (SMT Receptacle) LTI-IPXSM66AL с размерами 3×3,1×1,25 мм — аналог соединителя U.Fl Hirose. В диапазоне частот DC–3 ГГц КСВн соединителя LTI-IPXSM66AL не превышает 1,4.

Компания Amphenol разработала соединители A‑1JB серии AMC (Amphenol Micro Coaxial), аналогичные соединителям компании Hirose (размеры контактной площадки 3×3 мм, высота соединения с кабельной вилкой 2,5 мм) и работающие в диапазоне частот DC–6 ГГц, КСВн не более 1,45, диапазон рабочих температур –40…+90 °C, допустимое количество соединений 30.

Аналогичные соединители, совместимые с соединителями U.FL Hirose, изготавливают компании: TE Connectivity — UMCC (Ultra Miniature Coaxial Connector) № 1909763-1, Molex — Micro Coax Connector № 73412-0110, Wellshow — IPEX SMT Receptacle 20279-001E‑01.

Основные правила применения соединителей

1. Необходимо выполнять разводку печатной платы в строгом соответствии с рекомендациями компании — изготовителя соединителя. Большинство компаний приводят в data sheet расположение контактных площадок на плате в области установки соединителя (Footprint, PCB Layout). На контактные площадки следует наносить только рекомендуемую припойную пасту. Соединитель должен быть точно установлен на контактные площадки. Пайку выполняют по температурно-временному режиму, приведенному в data sheet.
2. Выбирать соединитель для поверхностного монтажа следует совместно с ответным кабельным соединителем. Компании выпускают несколько типов кабельных соединителей для сборок с кабелями разных диаметров. Только оптимальное сочетание поверхностного и кабельного соединителей обеспечивает электрические параметры, заявленные в data sheet.
3. Микроминиатюрные и ультраминиатюрные соединители требуют особо бережного обращения.

Заключение

Десятки зарубежных компаний выпускают микроминиатюрные и ультраминиатюрные соединители многотысячными тиражами. В нашей стране эти соединители не изготавливаются, и их применение пока еще ограничено. Однако несомненно, что в ближайшие годы потребность в них возрастет и понадобятся соединители отечественного производства. Важнейшим условием создания микроминиатюрных и ультраминиатюрных радиочастотных соединителей является использование в качестве изоляции диэлектрика с низкой диэлектрической проницаемостью (не более 2,9) и с высокой допустимой температурой нагрева (не менее +250 °C). За рубежом созданы такие материалы, в частности LCP, Torlon 4203, Engineering Plastic. Без разработки аналогичных материалов в нашей стране невозможен прогресс в развитии радиочастотных соединителей.