表面上來(lái)看,RF和微波連接器相對于那些高調的同類(lèi)產(chǎn)品而言似乎不太重要。無(wú)論高調與否,用于無(wú)線(xiàn)通信應用的RF連接器由于下面一些原因正轉型成為關(guān)注焦點(diǎn):尺寸和重量的減小、更佳的整體性能、易于安裝,最后但同樣重要的是降低了RF信號生成時(shí)產(chǎn)生的不良副作用,即連接器通常會(huì )引起的無(wú)源互調失真(PIM)。
現在,在歷經(jīng)數代RF工程師和技術(shù)人員使用同類(lèi)型的連接器后,全新類(lèi)別的連接器已呼之欲出,將替換掉基站、小蜂窩、分布式天線(xiàn)系統以及WiFi熱點(diǎn)等應用中的連接器。簡(jiǎn)而言之,即如RF連接器行業(yè)領(lǐng)域的市場(chǎng)分析師所證實(shí),此行業(yè)將呈大幅增長(cháng)趨勢。
據Bishop & Associates分析師統計,全球RF連接器市場(chǎng)規模已超出三十億美元,并自2002年起以平均每年10.8%的速率增長(cháng),這主要得益于無(wú)線(xiàn)通信、防御系統及電信和數據通信市場(chǎng)的推動(dòng)。其高速增長(cháng)的一個(gè)最大驅動(dòng)因素是減小尺寸的需求,不僅是小型電池供電類(lèi)設備,還涉及汽車(chē)和醫 療等多個(gè)應用領(lǐng)域。EJL Wireless($103.3600) Research也在研究連接器市場(chǎng),其預期廣泛普及的7/16 DIN接口用戶(hù)數量仍會(huì )持續增長(cháng),而新型4.1-9.5接口和4.3-10連接器分別在北美與歐洲和很多其他國家或地區被普遍接受。本文稍后還將詳細介紹這兩類(lèi)連接器。
了解數年來(lái)一直能提供出色RF服務(wù)和微波應用的N型和7/16 DIN等連接器將在未來(lái)被這些新型連接器大幅取代的具體原因,將有助于理解無(wú)線(xiàn)載體今天所面臨的挑戰以及他們深信有必要大規模替換傳統連接器的原因。
尺寸問(wèn)題
RF連接器可能很小,但如果將足夠多數量的連接器放在一起,正如在基站中一樣,就會(huì )發(fā)現這些連接器以及其配套的電纜配件將構成一個(gè)網(wǎng)絡(luò ),并廣為接受。因此,如果可以在提高性能、簡(jiǎn)化安裝并減少可能的人為錯誤的同時(shí)減小連接器的尺寸,便有了充分的更換理由。這些因素以及降低PIM都很可能會(huì )導致微基站和小蜂窩中的N型和7/16 DIN等熟悉的連接器類(lèi)型被更小的新型連接器幾乎甚至是大幅替代,而這一過(guò)程已經(jīng)開(kāi)始。
多數元件在不斷減小連接器尺寸后能用于背板,這對于空間有限的應用非常重要。但即使這些連接器可能已足夠小,可對于需要擁擠的設備掩體能提供更大空間的無(wú)線(xiàn)載體而言,顯然還是不夠。此外,諸如高清視頻等需要高數據速率的應用需要較大的帶寬,這也是連接器所必需適應的。
分布式天線(xiàn)系統(DAS)還是大量數字、光纖與RF連接器的主機,在大型安裝中,這些連接器組合在一起可能會(huì )超過(guò)100個(gè)。要全部替換通過(guò)同軸電纜只傳送RF信號的現有模擬DAS系統中的連接器,這是不可行的,然而值得慶幸的是這個(gè)領(lǐng)域發(fā)展很快,因此在價(jià)格適當的情況下全新的首次安裝可能會(huì )采用最新連接器。電纜和電信公司已將數十萬(wàn)的Wi-Fi熱點(diǎn)部署為客戶(hù)增值服務(wù),可能會(huì )成為較小的新型備選連接器。另一可能受益于較小連接器的領(lǐng)域為便攜式RF測試設備這一不斷成長(cháng)的大型市場(chǎng),這些設備除了要求小尺寸和高性能,還需要堅固的連接器設計,才能滿(mǎn)足惡劣的現場(chǎng)使用條件。
PIM的危害
無(wú)源互調失真(PIM)是當今無(wú)線(xiàn)載體所面臨的最可能的毀滅性弊端之一。PIM不僅來(lái)源多樣化,而且要找到并修復此問(wèn)題也是一項極其困難且耗時(shí)的工作。但隨著(zhù)載體的數據速率越來(lái)越高,以及持續使用OFDM等高階調制機制,PIM不僅有必要而且必須消除。如果只想說(shuō)明PIM可能會(huì )造成的問(wèn)題的嚴重程度,不妨設想下上行線(xiàn)路1 dB 的靈敏度損失將造成覆蓋區域下降11%的情形。了解PIM有助于精確的掌握其本質(zhì),因PIM為互調失真(IMD)的一種,所以最好從互調失真這一大類(lèi)開(kāi)始。
IMD與有源電子器件的非線(xiàn)性性能直接相關(guān)。當對2個(gè)或更多不同頻率的信號進(jìn)行幅值調制時(shí),會(huì )在多個(gè)頻率產(chǎn)生不同的互調產(chǎn)物,不僅是基頻諧波,還有頻率之和與差及這些差/和頻率的乘積。這些非預期輻射會(huì )干擾相鄰通道,甚至是其他以鄰近頻率工作的服務(wù)。
即使這些信號的強度可能很低,但數字調制的數據通信系統對于非線(xiàn)性度也極為敏感。PIM降低了信號干擾比,并限制了覆蓋區域、帶寬以及容量,因此應隨時(shí)隨地盡可能最大限度的消除。近期對無(wú)線(xiàn)載體進(jìn)行了一項假設,即減少-150 dBc的PIM是可接受的,但有跡象表明可能需要降低-160 dBc或更多。這不僅對連接器和其他傳輸線(xiàn)元件制造商提出了挑戰,還幾乎達到了當前PIM測試設備的測量限制。
與其他互調產(chǎn)物不同,PIM是由電纜、連接器、天線(xiàn)及其他許多不同尋常來(lái)源的無(wú)源器件在兩個(gè)或更多高功率信號的相互作用下產(chǎn)生的。異種金屬接點(diǎn)、被腐蝕金屬表面、金屬氧化物接點(diǎn)或其他位置產(chǎn)生信號的混頻,即可產(chǎn)生上述之相當高級別的諧波與寄生信號。
很多情況下,PIM可能是由因沖擊或震動(dòng)導致過(guò)緊或松散的連接器、中心線(xiàn)未正確對齊的連接器或暴露于灰塵、污跡或潮濕環(huán)境下的連接器所產(chǎn)生的。因基站中有很多位置會(huì )產(chǎn)生PIM,想查出問(wèn)題所在可能非常困難且耗時(shí)較長(cháng)。
PIM除由電子元件本身產(chǎn)生外,還來(lái)源于生銹螺栓、信號路徑中以諧波和其他頻率重新輻射基頻信號的天線(xiàn)、屋頂防雨板、通風(fēng)管、張索以及基本上任何可以生銹和接觸其他金屬的金屬等等。數十年來(lái)由于海水的作用,PIM問(wèn)題一直是困擾船舶的因素,將其形象地稱(chēng)為“銹螺栓效應”。
如何拯救連接器
幸運的是,連接器制造商已有能力應對生產(chǎn)連接器的挑戰,這些連接器不僅需要更小、更輕、易于安裝且不宜發(fā)生人為錯誤,而且還具有高抗PIM性能?偟膩(lái)說(shuō)有3種在RF連接器市場(chǎng)占據一席之地的新型連接器,其中兩種的應用場(chǎng)合相同,另一種用于滿(mǎn)足背板中較小且高性能連接器的需求。
4.1-9.5迷你DIN連接器:此新型連接器設計用于無(wú)線(xiàn)結構應用,采用了與7-16 DIN型連接器類(lèi)似的機械設計,但具有優(yōu)于N型連接器的性能。已有多家制造商為其提供了適配器,用作4.1-9.5迷你DIN連接器與7-16 DIN連接器的中間轉換步驟,便于電纜、天線(xiàn)或測試設備與此新接口相連。
4.1-9.5迷你DIN連接器直徑為9.5 mm,具有引腳數為3至9的多種型號。每種型號采用的配接方式是:一種型號的插頭不能與其他型號的任何插座配接。這7款迷你DIN連接器彼此互不相同,即在引腳分配、方鍵尺寸和位置或圓形屏蔽金屬裙邊缺口和金屬配件方面均無(wú)相似之處,因此都是官方正式版。
4.3-10連接器:此類(lèi)型連接器由Rosenberger、Huber &Suhner、Spinner以及Telegartner所創(chuàng )建,是4.1-9.5迷你DIN連接器的競爭產(chǎn)品。4.3-10連接器具有出色的電氣性能和極低的PIM,而與所施加的扭矩無(wú)關(guān)。該連接器的電氣平面與機械平面是獨立的,從而允許施加較小的耦合扭矩。采用了螺口式、手動(dòng)螺旋以及快速鎖定耦合機制,相較于7/16 DIN連接器尺寸縮小了40%,重量減輕了60%,而且4.3-10插座可與所有類(lèi)型的插頭進(jìn)行插配。在2 GHz頻率下具有高達500W CW的處理能力。
1.0/2.3連接器:DIN 1.0/2.3 RF連接器具有50Ω和75Ω的阻抗,采用推挽式鎖扣和釋放功能,設計用于空間有限的應用中。有些50Ω型連接器可工作在高至10 GHz的頻率下。采用Molex連接器的模塊化背板系統簡(jiǎn)化了板到板應用中RF信號的路由操作。模塊化背板采用可容納2至10個(gè)端口的支撐架外殼,使得視 頻、商業(yè)廣播和電信行業(yè)的電路板開(kāi)發(fā)人員能夠在配接板間傳送多個(gè)RF信號,并具有1 mm的軸向定位容差。
N 型、7/16 DIN以及4.1-9.5新型連接器的機械和電氣差異有些微妙。例如,4.1-9.5連接器并不比N型連接器小,而7/16 DIN連接器甚至還更大。N型連接器在需要較少扭矩方面明顯優(yōu)于其他連接器。所有這3種連接器在2 GHz時(shí)具有的處理能力遠高于商業(yè)無(wú)線(xiàn)(不含防御)應用的要求。
所有這些連接器(甚至包括7/16 DIN)的工作頻率高于或遠高于任何當前或新興無(wú)線(xiàn)頻段,并具有極佳的回損(VSWR)-- 幾乎是完美搭配。7/16 DIN連接器具有出色的抗PIM能力,與4.1-9.5不分上下,但優(yōu)于N型連接器。新型4.1-9.5連接器的重要性在于其足夠強大,需要的扭矩低于7/16 DIN,但卻擁有相同的抗PIM能力,同時(shí)具有與N型連接器一樣小的凸緣,因此需要的扭矩介于其他兩者之間,且不會(huì )在受到?jīng)_擊和震動(dòng)(產(chǎn)生PIM的主要來(lái)源)時(shí)松脫。
參數 | N型 | 7/16 DIN | 4.1-9.5迷你DIN |
工作頻率(GHz) | 18 | 8.3 | 14 |
互調(dBc) | -155 | -165 | -165 |
2GHz時(shí)的RF功率處理能力(W) | 700 | 1200 | 1000 |
回損(dB) | 26 | 高達32 | 高達30 |
凸緣尺寸 | 25.4 | 32 | 25.4 |
所需扭矩(ft. lb.) | 2.5 | 18 | 8 |
強度 | 低 | 最高 | 高 |
表1 – 連接器規范
總結
顯然N型或7/16 DIN連接器并無(wú)任何過(guò)錯,且因每款連接器都各有優(yōu)缺點(diǎn),也一直用于商業(yè)、工業(yè)、醫療,尤其是防御應用中,這些應用中的線(xiàn)性度不像通信行業(yè)中一樣直至近期也還是一個(gè)問(wèn)題。但是,無(wú)線(xiàn)載體未來(lái)的發(fā)展趨勢大好,可能會(huì )需要數據速率達到1 Gb/s、帶寬超過(guò)100 MHz、必須采用一切可行方式得到的極低PIM以及需要減少尺寸和重量。綜合這些因素可知有必要向新連接器轉型,以應對目前及未來(lái)之需求。1.0/2.3 連接器平臺以非常小的尺寸提供了非常高的性能、低PIM以及高工作頻率,堪稱(chēng)背板應用的理想之選。
然而,下一代5G無(wú)線(xiàn)通信因期望使用60 GHz的頻率,將為連接器制造商帶來(lái)全新的挑戰。目前,波導管和超小連接器占據著(zhù)此市場(chǎng),這些元件在安裝需要非常謹慎,且非常昂貴,而牢固度過(guò)低以致無(wú)法用于現場(chǎng),至少就目前開(kāi)發(fā)狀態(tài)來(lái)說(shuō)。由此可知連接器制造商無(wú)時(shí)無(wú)刻不面臨著(zhù)新設計挑戰。
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