Миниатюрные соединители P‑SMP и SMP-MAX повышенной мощности

Введение

Способ межплатного и межмодульного соединения при помощи соединителей типа SMP — вилки с ограниченным или полным соединением; вилки со скользящим соединением и адаптера розетка–розетка (bullet) — в настоящее время широко применяется в СВЧ-изделиях микроэлектроники [1, 2, 3]. Это сравнительно простое, компактное соединение в диапазоне частот до 40 ГГц, которое позволяет миниатюризировать изделия и автоматизировать их производство. Использование bullet разной длины обеспечивает требуемое расстояние между платами и модулями, а также компенсацию несоосности соединителей, расположенных на платах или в модулях.

Однако эти соединения не рассчитаны на сигналы повышенной мощности. Между тем для ряда применений (телеком, базовые станции, усилители и фильтры) не требуются такие высокие частоты, достаточно частоты до 10 ГГц, но необходим повышенный уровень допустимой мощности сигналов: до 200–300 Вт на частоте 2–3 ГГц. Поэтому потребовались соединители, сочетающие преимущества SMP-соединителей (расположение на платах с минимальным шагом при разном расстоянии между платами и удобство соединения) и стандартных соединителей SMA и QMA (повышенная мощность и высокие электрические параметры). Для этого были созданы соединители P‑SMP и SMP-MAX соответственно. При их конструировании была решена задача повышения допустимой мощности при сохранении величины волнового сопротивления 50 Ом.

Допустимая мощность (P) ограничена явлениями электрического и теплового пробоя и зависит от размеров коаксиальной линии соединителя [4]:

P ~ E_maxd²ln(D/d),           (1)

где E_max — максимальная напряженность поля; d и D — диаметры внутреннего и наружного проводников коаксиальной линии соединителя.

В то же время предельная частота соединителя также зависит от размеров коаксиальной линии соединителя:

f_пред ~ 190,8/√ε(D+d),     (2)

где ε — диэлектрическая проницаемость изолятора.

Кроме того, чтобы нежелательные высшие типы волн в коаксиальной линии соединителя находились в закритическом режиме, должно соблюдаться условие:

l > 0,5p(D+d),                   (3)

где l — длина волны.

Чтобы увеличить допустимую мощность, в соответствии с формулой (1) нужно увеличить размеры коаксиальной линии. Но при этом согласно формуле (2) уменьшается предельная частота соединителя. Поэтому размеры коаксиальной линии в соединителе с повышенной мощностью увеличены и приближены к размерам коаксиальной линии соединителей SMA и QMA, но в результате этого уменьшилась их предельная частота.

Соединители P‑SMP зарубежных компаний

Rosenberger Hochfrequenztechnik (Rosenberger)

Компания Rosenberger производит соединители более 2000 наименований: 50‑ и 75‑Ом ВЧ- и СВЧ-соединители, адаптеры, кабели и кабельные сборки для электроники и автомобильной промышленности, а также прецизионные СВЧ-элементы. В 2010 году компания Rosenberger представила новую серию радиочастотных соединителей P‑SMP [6]. В августе 2011 года United States Patent and Trademark Office зарегистрировал эти соединители под номером 79105528.

В основу конструкции соединителей P‑SMP был положен тот же механизм защелкивания пары соединителей, как и в соединителях SMP [1, 2, 3]. Он обеспечивает простое и надежное соединение, при этом не требуется специальный инструмент. Интерфейс соединителя P‑SMP показан на рис. 1 [6, 7].

Рис. 1. Интерфейс соединителей P SMP:
а) вилка;
б) розетка

Компания Rosenberger разработала 119‑ю серию (42 типа) соединителей P‑SMP [6]:

• Прямые и угловые вилки с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением для поверхностного монтажа и для монтажа в отверстия печатной платы.
• Приборные вилки (с диаметром центрального проводника 1,27 мм) с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением.
• Bullet с диаметром наружного проводника 4,5 мм и длиной от 10 до 38 мм.
• Прямую и угловые кабельные розетки под полужесткий кабель ∅3,58 мм и гибкий кабель ∅3,1 мм.
• Межканальные адаптеры P‑SMP — SMA с разным сочетанием вилка — розетка и адаптер P‑SMP (розетка) — N (розетка).

Тип соединителя (вилка или розетка) компания Rosenberger обозначает по виду центрального проводника: розетка, если центральный проводник гнездовой, и вилка, если проводник штыревой. Внешний вид соединителей P‑SMP показан на рис. 2.

Рис. 2. Соединители P SMP компании Rosenberger:
а) прямая вилка для поверхностного монтажа;
б) прямая вилка для поверхностного монтажа со скользящим соединением и расширенным входом — catchers mitt;
в) прямая вилка для монтажа в отверстия платы;
г) концевая вилка для поверхностного монтажа;
д, е) bullets разной длины;
ж) угловые кабельные розетки;
з) прямая кабельная розетка;
и) приборная вилка

Соединители P‑SMP, а также рассмотренные ниже соединители SMP-MAX имеют следующие параметры (табл. 1) [6, 7, 8, 9].

Примечания. Составы (%) и толщина (мкм) покрытий разных компаний:
* Optargen: Sucoplate 30 («Белая бронза»): Cu 55, Sn 25–30, Zn 15–20 (1–4), Ag2.
** AuroDur (Au-Ni-P): Au (0,15), Ni–P (2–3,5).
*** Optalloy, BBR (Bright Bronze Radiall) — «Белая бронза»: Cu 55, Sn 25–30, Zn 15–20 (1–4).
**** Твердое золото: Au (0,8) + Ni (2–3,5).
***** NPGR — (Ni-P) + золото.

Индивидуальные параметры каждого конкретного соединителя P‑SMP зависят от его назначения, конструкции, типа кабеля и способа изготовления кабельной сборки (для кабельных соединителей).

Компания Rosenberger разработала большое количество прямых, угловых и концевых вилок с защелкиванием и со скользящим соединением для установки на платы и bullet разной длины для обеспечения требуемого расстояния между платами.

Такое соединение применяют и в вилках SMP, однако допустимая несоосность в этом случае существенно меньше 0,25 мм. Созданы также приборные фланцевые проходные вилки (выводы энергии) с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением, которые устанавливают в корпуса изделий. С приборными вилками стыкуются кабельные соединители розетка или bullet. Разработаны прямые и угловые кабельные соединители для работы с полужесткими — UT141, RG405, 0,085″ и формуемыми вручную кабелями тех же размеров, а также с гибкими кабелями RG174, RG316. Эти соединители обеспечивают вывод сигнала с печатной платы на радиочастотный кабель.

Номенклатура соединителей P‑SMP, а также соединителей SMP-MAX, выпускаемых разными компаниями, приведена в таблице 2.

Примечание. * Вилки с пружинной экранирующей насадкой.

Особое внимание уделено вилкам со скользящим соединением, чтобы обеспечить надежное соединение с bullet даже при аксиальной несоосности до ±1 мм. При такой большой несоосности применены вилки с разновидностью скользящего соединения — Catchers Mitt, отличающегося широкой заходной фаской в области соединения с bullet (рис. 3).

Рис. 3. Соединение bullet с вилкой Catchers Mitt

Созданы вилки с экранирующей насадкой для дополнительной защиты от просачивания СВЧ-энергии и повышения вибростойкости. Конструкции вилок со скользящим соединением Catchers Mitt для поверхностного монтажа на платы, а также одной из вилок с экранирующей пружинной насадкой из нержавеющей стали, приведены на рис. 4.

Рис. 4. Вилки со скользящим соединением Catchers Mitt для установки на печатные платы:
а) стандартная;
б) с увеличенным входом;
в) с широким входом;
г) с пружинной экранирующей насадкой

Соединители P‑SMP применяют для межплатных соединений в базовых станциях и для кабельных соединений в мощных усилителях.

IMS Connector Systems (IMS)

Несмотря на высокий уровень параметров, применение соединителей P‑SMP зарубежными потребителями затруднялось тем, что Rosenberger первое время был монополистом — единственным производителем этих соединителей. За рубежом широкое применение любого комплектующего изделия возможно только при наличии как минимум еще одного поставщика. Поэтому спустя небольшое время появился второй производитель и поставщик этих соединителей — немецкая компания IMS Connector Systems (IMS).

IMS — одна из старейших компаний (основана в 1863 году). Она специализируется на разработке и производстве высокочастотных соединений. IMS выпускает серию (17 типов) соединителей P‑SMP: вилки с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением для поверхностного монтажа на печатные платы, bullet длиной от 10 до 23,8 мм и, в отличие от компании Rosenberger, разнообразные приборные вилки (выводы энергии) с ограниченным защелкиванием и скользящим соединением (диаметр центрального проводника — 1,28 мм) [7]. Покрытие центрального и наружного проводников соединителей — «белая бронза» + серебро.

Номенклатура соединителей компании IMS приведена в таблице 2. Предельная частота приборной вилки 5026.PSMP.1014.195 — 18 ГГц, максимальный КСВН в диапазоне частот 0–10 ГГц — 1,12.

Основное применение соединителей P‑SMP — мощные усилители базовых станций.

Соединители SMP-MAX зарубежных компаний

Radiall

Для применения в телекоммуникационных системах и компактных базовых станциях и мобильных устройствах нового поколения компания Radiall в сжатые сроки разработала серию соединителей SMP-MAX в диапазоне частот 0–6 ГГц с повышенной допустимой мощностью (до 300 Вт на частоте 2,7 ГГц). Торговая марка соединителей SMP-MAX была зарегистрирована 23 ноября 2010 года. Эти устройства обеспечивают надежное соединение печатных плат при аксиальной несоосности установленных на платах соединителей до 2 мм и радиальной несоосности до 3°. Проблема несоосности была решена созданием изолятора оригинальной конструкции, компенсирующего погрешности рассогласования сочленяемых соединителей SMP-MAX (рис. 5) [8].

Рис. 5. Соединение bullet (гнездовой центральный проводник) с вилкой (скользящее соединение Catchers Mitt)

Компания Radiall выпускает серию соединителей SMP-MAX (19 типов). Номенклатура  этих соединителей представлена в таблице 2, а их внешний вид — на рис. 6.

Рис. 6. Соединители SMP-MAX:
а) вилка с защелкиванием для установки в отверстия печатной платы;
б) вилка со скользящим соединением для установки в отверстия платы;
в) bullets разной длины;
г) розетка кабельная прямая со штыревым центральным проводником;
д) вилка кабельная угловая с гнездовым центральным проводником;
е) адаптер SMP-MAX-вилка — SMA-розетка;
ж) вилка кабельная прямая с гнездовым центральным проводником;
з) адаптер SMP-MAX-розетка — SMA-розетка

В отличие от компании Rosenberger, различающей розетку и вилку по виду центрального проводника, Radiall называет вилкой подвижную часть соединения пары вилка–розетка, центральный проводник которой может быть как штыревым, так и гнездовым. Например, соединитель R222M80500 — SMP-MAX/Right angle female plug crimp type cable 2,6/50S — это кабельная вилка с гнездовым центральным проводником под кабель 2,6/50S, способ заделки кабеля — обжим. Центральный и наружный проводники соединителей SMP-MAX покрыты сплавом NPGR: (Ni–P) + золото, корпусы — сплавом BBR (Bright Bronze Radiall) — «белая (блестящая) бронза».

Molex

Ситуация с применением соединителей SMP-MAX аналогична ситуации с соединителями P‑SMP. Поэтому в апреле 2011 года компании Radiall и Molex объявили о том, что Molex теперь лицензированный второй поставщик и изготовитель соединителей SMP-MAX. Molex производит сравнительно небольшую серию (семь типов) вилок с ограниченным защелкиванием и со скользящим соединением для поверхностного монтажа и монтажа в отверстия печатных плат и приборных вилок, а также два внутрисерийных адаптера SMP-MAX-розетка — SMP-MAX-вилка [9]. Номенклатура соединителей приведена в таблице 2, а их внешний вид — на рис. 7.

Рис. 7. Соединители SMP-MAX компании Molex

Сравнительные параметры соединителей SMA, QMA, P‑SMP и SMP-MAX

Соединители P‑SMP и SMP-MAX обеспечивают простое, надежное и компактное соединение печатных плат между собой и с радиочастотным кабелем при повышенном уровне допустимой мощности. Они сочетают достоинства стандартных соединителей SMA, QMA и SMP. Типичные основные параметры соединителей SMA, QMA, P‑SMP и SMP-MAX приведены в таблице 3 [6, 7, 8, 9].

Заключение

Межплатные и межмодульные соединения с использованием двух вилок (с защелкиванием и со скользящим соединением) и адаптера bullet являются экономически эффективными, обеспечивают новые возможности конструирования изделий, их миниатюризацию и автоматизацию производства. Соединители SMP повышенной мощности с предельной частотой 6–10 ГГц созданы для систем телекоммуникации и базовых станций связи для применения наряду со стандартными соединителями SMA и QMA. Пока еще соединители SMP повышенной мощности производят всего четыре компании, но с расширением сферы применения выпуск соединителей, по-видимому, освоят и другие зарубежные компании.

Автор выражает признательность М. В. Чебунину за полезные критические замечания, А. В. Калинину и Р. Гуре — за предоставленную информацию.