表面上来看,RF和微波连接器相对于那些高调的同类产品而言似乎不太重要。无论高调与否,用于无线通信应用的RF连接器由于下面一些原因正转型成为关注焦点:尺寸和重量的减小、更佳的整体性能、易于安装,最后但同样重要的是降低了RF信号生成时产生的不良副作用,即连接器通常会引起的无源互调失真(PIM)。

现在,在历经数代RF工程师和技术人员使用同类型的连接器后,全新类别的连接器已呼之欲出,将替换掉基站、小蜂窝、分布式天线系统以及WiFi热点等应用中的连接器。简而言之,即如RF连接器行业领域的市场分析师所证实,此行业将呈大幅增长趋势。

据Bishop & Associates分析师统计,全球RF连接器市场规模已超出三十亿美元,并自2002年起以平均每年10.8%的速率增长,这主要得益于无线通信、防御系统及电信和数据通信市场的推动。其高速增长的一个最大驱动因素是减小尺寸的需求,不仅是小型电池供电类设备,还涉及汽车和医 疗等多个应用领域。EJL Wireless($103.3600) Research也在研究连接器市场,其预期广泛普及的7/16 DIN接口用户数量仍会持续增长,而新型4.1-9.5接口和4.3-10连接器分别在北美与欧洲和很多其他国家或地区被普遍接受。本文稍后还将详细介绍这两类连接器。

了解数年来一直能提供出色RF服务和微波应用的N型和7/16 DIN等连接器将在未来被这些新型连接器大幅取代的具体原因,将有助于理解无线载体今天所面临的挑战以及他们深信有必要大规模替换传统连接器的原因。

尺寸问题

RF连接器可能很小,但如果将足够多数量的连接器放在一起,正如在基站中一样,就会发现这些连接器以及其配套的电缆配件将构成一个网络,并广为接受。因此,如果可以在提高性能、简化安装并减少可能的人为错误的同时减小连接器的尺寸,便有了充分的更换理由。这些因素以及降低PIM都很可能会导致微基站和小蜂窝中的N型和7/16 DIN等熟悉的连接器类型被更小的新型连接器几乎甚至是大幅替代,而这一过程已经开始。

多数元件在不断减小连接器尺寸后能用于背板,这对于空间有限的应用非常重要。但即使这些连接器可能已足够小,可对于需要拥挤的设备掩体能提供更大空间的无线载体而言,显然还是不够。此外,诸如高清视频等需要高数据速率的应用需要较大的带宽,这也是连接器所必需适应的。

分布式天线系统(DAS)还是大量数字、光纤与RF连接器的主机,在大型安装中,这些连接器组合在一起可能会超过100个。要全部替换通过同轴电缆只传送RF信号的现有模拟DAS系统中的连接器,这是不可行的,然而值得庆幸的是这个领域发展很快,因此在价格适当的情况下全新的首次安装可能会采用最新连接器。电缆和电信公司已将数十万的Wi-Fi热点部署为客户增值服务,可能会成为较小的新型备选连接器。另一可能受益于较小连接器的领域为便携式RF测试设备这一不断成长的大型市场,这些设备除了要求小尺寸和高性能,还需要坚固的连接器设计,才能满足恶劣的现场使用条件。

PIM的危害

无源互调失真(PIM)是当今无线载体所面临的最可能的毁灭性弊端之一。PIM不仅来源多样化,而且要找到并修复此问题也是一项极其困难且耗时的工作。但随着载体的数据速率越来越高,以及持续使用OFDM等高阶调制机制,PIM不仅有必要而且必须消除。如果只想说明PIM可能会造成的问题的严重程度,不妨设想下上行线路1 dB 的灵敏度损失将造成覆盖区域下降11%的情形。了解PIM有助于精确的掌握其本质,因PIM为互调失真(IMD)的一种,所以最好从互调失真这一大类开始。

IMD与有源电子器件的非线性性能直接相关。当对2个或更多不同频率的信号进行幅值调制时,会在多个频率产生不同的互调产物,不仅是基频谐波,还有频率之和与差及这些差/和频率的乘积。这些非预期辐射会干扰相邻通道,甚至是其他以邻近频率工作的服务。

即使这些信号的强度可能很低,但数字调制的数据通信系统对于非线性度也极为敏感。PIM降低了信号干扰比,并限制了覆盖区域、带宽以及容量,因此应随时随地尽可能最大限度的消除。近期对无线载体进行了一项假设,即减少-150 dBc的PIM是可接受的,但有迹象表明可能需要降低-160 dBc或更多。这不仅对连接器和其他传输线元件制造商提出了挑战,还几乎达到了当前PIM测试设备的测量限制。

与其他互调产物不同,PIM是由电缆、连接器、天线及其他许多不同寻常来源的无源器件在两个或更多高功率信号的相互作用下产生的。异种金属接点、被腐蚀金属表面、金属氧化物接点或其他位置产生信号的混频,即可产生上述之相当高级别的谐波与寄生信号。

很多情况下,PIM可能是由因冲击或震动导致过紧或松散的连接器、中心线未正确对齐的连接器或暴露于灰尘、污迹或潮湿环境下的连接器所产生的。因基站中有很多位置会产生PIM,想查出问题所在可能非常困难且耗时较长。

PIM除由电子元件本身产生外,还来源于生锈螺栓、信号路径中以谐波和其他频率重新辐射基频信号的天线、屋顶防雨板、通风管、张索以及基本上任何可以生锈和接触其他金属的金属等等。数十年来由于海水的作用,PIM问题一直是困扰船舶的因素,将其形象地称为“锈螺栓效应”。

如何拯救连接器

幸运的是,连接器制造商已有能力应对生产连接器的挑战,这些连接器不仅需要更小、更轻、易于安装且不宜发生人为错误,而且还具有高抗PIM性能。总的来说有3种在RF连接器市场占据一席之地的新型连接器,其中两种的应用场合相同,另一种用于满足背板中较小且高性能连接器的需求。

4.1-9.5迷你DIN连接器:此新型连接器设计用于无线结构应用,采用了与7-16 DIN型连接器类似的机械设计,但具有优于N型连接器的性能。已有多家制造商为其提供了适配器,用作4.1-9.5迷你DIN连接器与7-16 DIN连接器的中间转换步骤,便于电缆、天线或测试设备与此新接口相连。

4.1-9.5迷你DIN连接器直径为9.5 mm,具有引脚数为3至9的多种型号。每种型号采用的配接方式是:一种型号的插头不能与其他型号的任何插座配接。这7款迷你DIN连接器彼此互不相同,即在引脚分配、方键尺寸和位置或圆形屏蔽金属裙边缺口和金属配件方面均无相似之处,因此都是官方正式版。

4.3-10连接器:此类型连接器由Rosenberger、Huber &Suhner、Spinner以及Telegartner所创建,是4.1-9.5迷你DIN连接器的竞争产品。4.3-10连接器具有出色的电气性能和极低的PIM,而与所施加的扭矩无关。该连接器的电气平面与机械平面是独立的,从而允许施加较小的耦合扭矩。采用了螺口式、手动螺旋以及快速锁定耦合机制,相较于7/16 DIN连接器尺寸缩小了40%,重量减轻了60%,而且4.3-10插座可与所有类型的插头进行插配。在2 GHz频率下具有高达500W CW的处理能力。

1.0/2.3连接器:DIN 1.0/2.3 RF连接器具有50Ω和75Ω的阻抗,采用推挽式锁扣和释放功能,设计用于空间有限的应用中。有些50Ω型连接器可工作在高至10 GHz的频率下。采用Molex连接器的模块化背板系统简化了板到板应用中RF信号的路由操作。模块化背板采用可容纳2至10个端口的支撑架外壳,使得视 频、商业广播和电信行业的电路板开发人员能够在配接板间传送多个RF信号,并具有1 mm的轴向定位容差。

N 型、7/16 DIN以及4.1-9.5新型连接器的机械和电气差异有些微妙。例如,4.1-9.5连接器并不比N型连接器小,而7/16 DIN连接器甚至还更大。N型连接器在需要较少扭矩方面明显优于其他连接器。所有这3种连接器在2 GHz时具有的处理能力远高于商业无线(不含防御)应用的要求。

所有这些连接器(甚至包括7/16 DIN)的工作频率高于或远高于任何当前或新兴无线频段,并具有极佳的回损(VSWR)-- 几乎是完美搭配。7/16 DIN连接器具有出色的抗PIM能力,与4.1-9.5不分上下,但优于N型连接器。新型4.1-9.5连接器的重要性在于其足够强大,需要的扭矩低于7/16 DIN,但却拥有相同的抗PIM能力,同时具有与N型连接器一样小的凸缘,因此需要的扭矩介于其他两者之间,且不会在受到冲击和震动(产生PIM的主要来源)时松脱。

参数 N型 7/16 DIN 4.1-9.5迷你DIN
工作频率(GHz) 18 8.3 14
互调(dBc) -155 -165 -165
2GHz时的RF功率处理能力(W) 700 1200 1000
回损(dB) 26 高达32 高达30
凸缘尺寸 25.4 32 25.4
所需扭矩(ft. lb.) 2.5 18 8
强度 最高

表1 – 连接器规范

总结

显然N型或7/16 DIN连接器并无任何过错,且因每款连接器都各有优缺点,也一直用于商业、工业、医疗,尤其是防御应用中,这些应用中的线性度不像通信行业中一样直至近期也还是一个问题。但是,无线载体未来的发展趋势大好,可能会需要数据速率达到1 Gb/s、带宽超过100 MHz、必须采用一切可行方式得到的极低PIM以及需要减少尺寸和重量。综合这些因素可知有必要向新连接器转型,以应对目前及未来之需求。1.0/2.3 连接器平台以非常小的尺寸提供了非常高的性能、低PIM以及高工作频率,堪称背板应用的理想之选。

然而,下一代5G无线通信因期望使用60 GHz的频率,将为连接器制造商带来全新的挑战。目前,波导管和超小连接器占据着此市场,这些元件在安装需要非常谨慎,且非常昂贵,而牢固度过低以致无法用于现场,至少就目前开发状态来说。由此可知连接器制造商无时无刻不面临着新设计挑战。

 

 

 

 

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