分析RF連接器發(fā)生的巨大變革和發(fā)展

表面上來(lái)看，RF和微波連接器相對(duì)于那些高調(diào)的同類產(chǎn)品而言似乎不太重要。無(wú)論高調(diào)與否，用于無(wú)線通信應(yīng)用的RF連接器由于下面一些原因正轉(zhuǎn)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(hào)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(diào)失真（PIM）。

現(xiàn)在，在歷經(jīng)數(shù)代RF工程師和技術(shù)人員使用同類型的連接器后，全新類別的連接器已呼之欲出，將替換掉基站、小蜂窩、分布式天線系統(tǒng)以及WiFi熱點(diǎn)等應(yīng)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(zhǎng)趨勢(shì)。

據(jù)Bishop & Associates分析師統(tǒng)計(jì)，全球RF連接器市場(chǎng)規(guī)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(zhǎng)，這主要得益于無(wú)線通信、防御系統(tǒng)及電信和數(shù)據(jù)通信市場(chǎng)的推動(dòng)。其高速增長(zhǎng)的一個(gè)最大驅(qū)動(dòng)因素是減小尺寸的需求，不僅是小型電池供電類設(shè)備，還涉及汽車和醫(yī)療等多個(gè)應(yīng)用領(lǐng)域。EJL Wireless Research也在研究連接器市場(chǎng)，其預(yù)期廣泛普及的7/16 DIN接口用戶數(shù)量仍會(huì)持續(xù)增長(zhǎng)，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(guó)家或地區(qū)被普遍接受。本文稍后還將詳細(xì)介紹這兩類連接器。

了解數(shù)年來(lái)一直能提供出色RF服務(wù)和微波應(yīng)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)線載體今天所面臨的挑戰(zhàn)以及他們深信有必要大規(guī)模替換傳統(tǒng)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(shù)量的連接器放在一起，正如在基站中一樣，就會(huì)發(fā)現(xiàn)這些連接器以及其配套的電纜配件將構(gòu)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(cuò)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(dǎo)致微基站和小蜂窩中的N型和7/16 DIN等熟悉的連接器類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(shù)元件在不斷減小連接器尺寸后能用于背板，這對(duì)于空間有限的應(yīng)用非常重要。但即使這些連接器可能已足夠小，可對(duì)于需要擁擠的設(shè)備掩體能提供更大空間的無(wú)線載體而言，顯然還是不夠。此外，諸如高清視頻等需要高數(shù)據(jù)速率的應(yīng)用需要較大的帶寬，這也是連接器所必需適應(yīng)的。

分布式天線系統(tǒng)（DAS）還是大量數(shù)字、光纖與RF連接器的主機(jī)，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(hào)的現(xiàn)有模擬DAS系統(tǒng)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(dāng)?shù)那闆r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(shù)十萬(wàn)的Wi-Fi熱點(diǎn)部署為客戶增值服務(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?yàn)楸銛y式RF測(cè)試設(shè)備這一不斷成長(zhǎng)的大型市場(chǎng)，這些設(shè)備除了要求小尺寸和高性能，還需要堅(jiān)固的連接器設(shè)計(jì)，才能滿足惡劣的現(xiàn)場(chǎng)使用條件。

PIM的危害

無(wú)源互調(diào)失真（PIM）是當(dāng)今無(wú)線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(fù)此問(wèn)題也是一項(xiàng)極其困難且耗時(shí)的工作。但隨著載體的數(shù)據(jù)速率越來(lái)越高，以及持續(xù)使用OFDM等高階調(diào)制機(jī)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(yán)重程度，不妨設(shè)想下上行線路1 dB 的靈敏度損失將造成覆蓋區(qū)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(diào)失真（IMD）的一種，所以最好從互調(diào)失真這一大類開(kāi)始。

IMD與有源電子器件的非線性性能直接相關(guān)。當(dāng)對(duì)2個(gè)或更多不同頻率的信號(hào)進(jìn)行幅值調(diào)制時(shí)，會(huì)在多個(gè)頻率產(chǎn)生不同的互調(diào)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(yù)期輻射會(huì)干擾相鄰?fù)ǖ?，甚至是其他以鄰近頻率工作的服務(wù)。

即使這些信號(hào)的強(qiáng)度可能很低，但數(shù)字調(diào)制的數(shù)據(jù)通信系統(tǒng)對(duì)于非線性度也極為敏感。PIM降低了信號(hào)干擾比，并限制了覆蓋區(qū)域、帶寬以及容量，因此應(yīng)隨時(shí)隨地盡可能最大限度的消除。近期對(duì)無(wú)線載體進(jìn)行了一項(xiàng)假設(shè)，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(duì)連接器和其他傳輸線元件制造商提出了挑戰(zhàn)，還幾乎達(dá)到了當(dāng)前PIM測(cè)試設(shè)備的測(cè)量限制。

與其他互調(diào)產(chǎn)物不同，PIM是由電纜、連接器、天線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(hào)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(hào)的混頻，即可產(chǎn)生上述之相當(dāng)高級(jí)別的諧波與寄生信號(hào)。

很多情況下，PIM可能是由因沖擊或震動(dòng)導(dǎo)致過(guò)緊或松散的連接器、中心線未正確對(duì)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(zhǎng)。

PIM除由電子元件本身產(chǎn)生外，還來(lái)源于生銹螺栓、信號(hào)路徑中以諧波和其他頻率重新輻射基頻信號(hào)的天線、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(shù)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，將其形象地稱為“銹螺栓效應(yīng)”。

如何拯救連接器？

幸運(yùn)的是，連接器制造商已有能力應(yīng)對(duì)生產(chǎn)連接器的挑戰(zhàn)，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(cuò)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(jù)一席之地的新型連接器，其中兩種的應(yīng)用場(chǎng)合相同，另一種用于滿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(shè)計(jì)用于無(wú)線結(jié)構(gòu)應(yīng)用，采用了與7-16 DIN型連接器類似的機(jī)械設(shè)計(jì)，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(zhuǎn)換步驟，便于電纜、天線或測(cè)試設(shè)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(shù)為3至9的多種型號(hào)。每種型號(hào)采用的配接方式是：一種型號(hào)的插頭不能與其他型號(hào)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(jìng)爭(zhēng)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?zé)o關(guān)。該連接器的電氣平面與機(jī)械平面是獨(dú)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(jī)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插座可與所有類型的插頭進(jìn)行插配。在2 GHz頻率下具有高達(dá)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(shè)計(jì)用于空間有限的應(yīng)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(tǒng)簡(jiǎn)化了板到板應(yīng)用中RF信號(hào)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(hào)，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(jī)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(yuǎn)高于商業(yè)無(wú)線（不含防御）應(yīng)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(yuǎn)高于任何當(dāng)前或新興無(wú)線頻段，并具有極佳的回?fù)p（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(qiáng)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。

表1 –連接器規(guī)范

總結(jié)

顯然N型或7/16 DIN連接器并無(wú)任何過(guò)錯(cuò)，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(yī)療，尤其是防御應(yīng)用中，這些應(yīng)用中的線性度不像通信行業(yè)中一樣直至近期也還是一個(gè)問(wèn)題。但是，無(wú)線載體未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)大好，可能會(huì)需要數(shù)據(jù)速率達(dá)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(zhuǎn)型，以應(yīng)對(duì)目前及未來(lái)之需求。1.0/2.3連接器平臺(tái)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，堪稱背板應(yīng)用的理想之選。

然而，下一代5G無(wú)線通信因期望使用60 GHz的頻率，將為連接器制造商帶來(lái)全新的挑戰(zhàn)。目前，波導(dǎo)管和超小連接器占據(jù)著此市場(chǎng)，這些元件在安裝需要非常謹(jǐn)慎，且非常昂貴，而牢固度過(guò)低以致無(wú)法用于現(xiàn)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)刻不面臨著新設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。