eng
Выпуск #1/2025
К. Джуринский
ЗАРУБЕЖНЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ РАДИОЧАСТОТНЫЕ СОЕДИНИТЕЛИ ДЛЯ УСТАНОВКИ НА ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ БЕЗ ПАЙКИ
ЗАРУБЕЖНЫЕ ВЕРТИКАЛЬНЫЕ РАДИОЧАСТОТНЫЕ СОЕДИНИТЕЛИ ДЛЯ УСТАНОВКИ НА ПЕЧАТНЫЕ ПЛАТЫ БЕЗ ПАЙКИ
Просмотры: 956
DOI: 10.22184/1992-4178.2025.242.1.106.114
Проанализированы особенности конструкции вертикальных компрессионных соединителей СВЧ-диапазона для поверхностного монтажа без пайки на печатные платы. Показаны преимущества и недостатки этих соединителей. Рассмотрены вертикальные соединители США, Европы и Юго-Восточной Азии.
Проанализированы особенности конструкции вертикальных компрессионных соединителей СВЧ-диапазона для поверхностного монтажа без пайки на печатные платы. Показаны преимущества и недостатки этих соединителей. Рассмотрены вертикальные соединители США, Европы и Юго-Восточной Азии.
Теги: compression vertical connectors printed circuit boards rf connectors компрессионные вертикальные соединители печатные платы радиочастотные соединители
Зарубежные вертикальные радиочастотные соединители для установки на печатные платы без пайки*
К. Джуринский, к.т.н.
Проанализированы особенности конструкции вертикальных компрессионных соединителей СВЧ-диапазона для поверхностного монтажа без пайки на печатные платы. Показаны преимущества и недостатки этих соединителей. На большом фактическом материале рассмотрены вертикальные соединители США, Европы и Юго-Восточной Азии. В статье использована только открытая зарубежная информация.
Особенности конструкции вертикальных радиочастотных соединителей
Вертикальные радиочастотные соединители для поверхностного монтажа на печатные платы являются коаксиально-микрополосковыми переходами (КМПП), основное назначение которых – эффективный переход без отражений и потерь от коаксиальной линии соединителя к микрополосковой линии на печатной плате. Эти соединители для установки на печатные платы без пайки стали настоящим прорывом в области радиочастотных соединений. Они не только обеспечивают стабильность передачи сигнала, но и значительно упрощают компоновку и сборку печатных плат. Для установки на плату достаточно закрепить соединитель с заданным усилием на печатной плате с помощью крепежных винтов – рис. 1 [1]. Нередко с другой стороны печатной платы вместе с соединителем также привинчивают металлическую пластину жесткости, чтобы избежать напряжения и деформации платы.
Известны фланцевые корпусы вертикальных соединителей двух видов: с выборкой для выхода полоска микрополосковой линии (МПЛ) и без нее (рис. 2) [2]. На фланцах выполнены два резьбовых отверстия (резьба 0-80UNF-2B).
Корпусы вертикальных соединителей изготавливают из пассивированной нержавеющей стали или из латуни, покрытой износостойким золотом по подслою никеля,
а также сплавом «белая бронза». Материал изолятора соединителей выбирают в зависимости от его диэлектрических свойств и частотного диапазона. Чаще всего изоляторы изготавливают из политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласта) и полимера Ultem 1000.
Контактные штыри соединителей изготавливают из хорошо проводящих материалов, таких как латунь или бериллиевая бронза. Высокая точность изготовления контактных штырей необходима для обеспечения правильного расположения и согласования импеданса с контактными площадками на печатной плате. Разработаны контактные штыри двух видов: «жесткие» (стандартные) и «мягкие» (Lite Touch – легкое касание) – рис. 3 [3]. На рисунке показан прогиб печатной платы толщиной 0,25 мм в результате давления «жесткого» кон-
такта. «Мягкий» контакт обеспечивает легкое касание платы без ее прогиба.
Похожая картина применения стандартного «жесткого» и «мягкого» контактных штырей вертикальных соединителей компании Withwave показана на рис. 4 [4]. «Мягкий» контакт Pogo Pin (Подпружиненный Контакт) вертикального соединителя не деформирует печатную плату.
Контакты Pogo Pin
Штыревой контакт Pogo Pin состоит из трех основных элементов: плунжера, корпуса и пружины рис. 5 [5]. Плунжер контактирует с позолоченной контактной площадкой на печатной плате, обеспечивая электрическое соединение. Пружина создает усилие, необходимое для выдвижения плунжера и его соединения с контактной площадкой.
В зарубежной технической литературе вертикальные соединители с контактами Pogo Pin называют компрессионными. По-видимому, имеется в виду образование контакта соединители с контактной площадкой на печатной плате за счет сжатия пружины и давления плунжера контакта Pogo Pin.
Преимущества и недостатки вертикальных радиочастотных соединителей, устанавливаемых без пайки
В отличие от традиционных радиочастотных соединителей, которые устанавливают горизонтально и соединяют пайкой с МПЛ тонкими золотыми ленточками или проволочками, вертикальные соединители помещают перпендикулярно печатной плате, что позволяет напрямую передавать сигнал с минимальными искажениями и потерями сигнала.
Паяные соединения требуют достаточно сложного процесса установки с участием квалифицированных специалистов и специального оборудования. Эти соединения трудно переделывать, и после установки их нельзя использовать повторно в других конструкциях.
Если соединители плохо припаяны, дорогостоящие печатные платы будут повреждены. Хотя паяные соединения необходимы в большинстве случаев, они не идеальны для таких применений как исследования, создание прототипов и тестирование, где ключевыми факторами являются гибкость и адаптивность [3].
Вертикальные соединители, устанавливаемые без пайки, можно легко поставить или снять (в случае износа или повреждения) даже в полевых условиях, не повредив печатные платы. Поэтому это более доступный, удобный и многоразовый вариант установки соединителя.
По сравнению с традиционными КМПП, компрессионные вертикальные соединители обеспечивают более высокую плотность установки: с небольшим шагом – около 15 мм. Они требуют меньше затрат на установку, позволяют экономить время и средства при производстве и повышать его эффективность.
Вертикальные соединители обеспечивают надежное электрическое соединение и высокоскоростную передачу сигналов по вертикали через слои печатной платы
с минимальными потерями и электромагнитными помехами [5, 6]. Эти прочные, долговечные и многоразовые компрессионные соединители применимы для печатных плат на подложках из разных материалов и толщины, даже самых тонких, толщиной 0,25 мм,
и не повреждают их. Соединители могут быть использованы для микрополосковых, копланарных и полосковых линий. Разработаны компрессионные вертикальные соединители (в скобках предельная частота в ГГц): SMA (27),
2.92 mm (40), 2.4 mm (50), 1.85 mm (65), 1.35 mm (90),
1.0 mm (110) и даже 0.8 mm (145).
Недостатком этих соединителей является зависимость электрического контакта от величины компрессии. Вибрация и удары ослабляют соединение. К тому же, каждый раз, когда соединитель отсоединяется или присоединяется, целостность соединения нарушается [5].
Области применения компрессионных вертикальных соединителей, устанавливаемых на печатные платы без пайки
С помощью этих соединителей можно создать удобную и практичную компоновку печатной платы, поскольку они экономят место и упрощают процесс проектирования. Надежное соединение без ухудшения электрических параметров – одно из основных преимуществ использования вертикального соединителя. Эти соединители хорошо подходят для использования в системах с ограниченным пространством.
Вертикальные соединители обеспечивают низкий уровень потерь при передаче сигналов в системах с высокой скоростью [6]. Эти соединители применяют для испытаний и измерений на сверхвысоких частотах в испытательных стендах, при определении характеристик печатных плат, а также в приложениях, где требуется минимальное излучение и связь с соседними схемами (рис. 6) [7].
Вертикальные радиочастотные соединители для печатных плат находят применение в различных отраслях промышленности, включая [9]:
телекоммуникации, высокоскоростные системы передачи данных: базовые станции сотовой связи, спутниковая связь и беспроводные маршрутизаторы;
аэрокосмическая промышленность: радиолокационные системы, авионика, оборудование спутниковых систем;
автомобильная промышленность: GPS-навигация, модули беспроводной связи;
медицинские устройства: системы мониторинга пациентов, медицинское оборудование для визуализации.
Вертикальные компрессионные соединители зарубежных компаний
Вертикальные компрессионные соединители для установки на печатные платы были созданы, по-видимому, ранее 2016 года. Несколько американских компаний первыми анонсировали появление вертикальных компрессионных соединителей: SV Microwave, Southwest Microwave, Fairview Microwave, Pasternack.
SV Microwave, США
По мере увеличения частоты и уменьшения толщины печатных плат стандартные соединители для монтажа на печатные платы могут создавать нежелательные эффекты на тонких (менее 0,25 мм) диэлектрических подложках. Компания SV Microwave представила вертикальные соединители Lite Touch с частотой 18, 40, 50 и 65 ГГц для точной установки на печатные платы на тонких подложках [8].Соединители имеют следующие параметры:
КСВН – 1,3 макс., напряжение пробоя – 500 В, количество соединений и рассоединений – более 500, экранное затухание – менее –100 дБ, диапазон рабочих температур
от –65 до 165 °C. Номенклатура соединителей компании SV Microwave приведена в табл. 1 [8].
Southwest Microwave, США
Компания Southwest Microwave разработала и выпускает вертикальные соединители Vertical Launch для микрополосковых или копланарных волноводов со следующими значениями КСВН, приведенными ниже [9]. Измерения КСВН соединителей были выполнены на печатных платах с подложками из материала RO3003.
1.0 mm. Максимальный КСВН: 1,16 в диапазоне частот 70–105 ГГц и 1,26 в диапазоне частот 105–110 ГГц. Эти данные получены при измерении на тестовой плате двух соединителей 1.0 mm, установленных на подложке толщиной 0,127 мм. Компания Southwest Microwave считает этот соединитель первым на рынке вертикальных соединителей для монтажа без пайки на печатную плату.
1.35 mm. КСВН – 1,25 макс. в диапазоне частот 0–90 ГГц при измерении двух соединителей 1.35 mm, установленных на плате с подложкой толщиной 0,127 мм.
1.85 mm. КСВН – 1,25 макс. в диапазоне частот 0–67 ГГц.
2.4 mm. КСВН – 1,18 макс. в диапазоне частот 0–50 ГГц.
2.92 mm. КСВН –1,095 макс. в диапазоне частот 0–50 ГГц
при измерении двух соединителей, установленных на платах с подложками толщиной 0,2 мм.
Рабочий диапазон температур соединителей:
–55…165 °C. Корпусы соединителей изготовлены из пассивированной нержавеющей стали, центральный контакт – из бериллиевой бронзы с золотым покрытием, изолятор – из Ultem 1000.
Fairview Microwave, Pasternack, США
В августе 2018 года компании Fairview Microwave и Pasternack выпустили одинаковые серии вертикальных соединителей для установки без пайки в высокоскоростных сетях и системах телекоммуникации [10, 11].
Каждая серия состоит из 12 соединителей розетка и вилка 2.4 mm, 2.92 mm и SMA, максимальный КСВН которых равен 1,3. Эти соединители могут устанавливаться без пайки на микрополосковые или полосковые линии. Внешний вид соединителей компании Pasternack показан на рис. 7 [11].
В настоящее время эти компании выпускают весь ассортимент соединителей в диапазоне частот 0–110 ГГц.
Rosenberger, Германия, США
Компания Rosenberger предлагает широкий ассортимент вертикальных соединителей для установки без пайки на сложные печатные платы для испытаний и измерений в диапазоне частот до 110 ГГц [12]. В комплект входят стандартные винты, дополнительные винты для более толстых печатных плат доступны по запросу. Разработаны экономичные соединители печатных плат для стандартных приложений с частотами до 90 ГГц, соединители с высоким уровнем параметров для работы на частотах до 110 ГГц и тестовые печатные платы в сборе с двумя соединителями.
Для применения при температурах до 125 °C созданы соединители RPC-1.35, RPC-1.85, RPC-2.40, RPC-2.92 и RPC-3.50 с изолятором из полимера PEEK. Количество циклов соединение/рассоединение – 500. Внешний вид соединителей показан на рис. 8 [12].
Частотная зависимость КСВН соединителей компании Rosenberger приведена в табл. 2 [12].
Samtec, США
Компания Samtec выпускает линейку вертикальных компрессионныx соединителей с предельной частотой 90 ГГц, имеющих функцию точной юстировки. Установка соединителя на печатную плату без пайки обеспечивает простую, быструю и экономичную замену его на печатной плате и исключает снижение производительности, которое обычно бывает при пайке. Эта новая линейка включает как резьбовые, так и защелкиваемые соединители: 135 cерия: 1.35 mm (90 ГГц); 185 cерия: 1,85 mm (65 ГГц);
240 cерия: 2,40 mm (50 ГГц); 292 cерия: 2,92 mm (40 ГГц); GPPO cерия: SMPM (65 ГГц) – рис. 9 [13, 14].
Толщина подложки печатной платы для соединителей 1.35 mm и SMPM от 0,4 до 3,2 мм, для соединителей 2.92 mm и 2.4 mm – от 1,0 до 2,5 мм.
Специалисты компании Samtec заметили, что при компрессионном монтаже может возникнуть небольшое смещение между соединителем и посадочной площадкой, что приводит к ухудшению качества передачи сигнала. Хотя на более низких частотах это ухудшение незначительно, на высоких частотах оно может стать проблематичным, и его очень трудно обнаружить. Ухудшение происходит даже при затяжке крепежных винтов с соблюдением требований по крутящему моменту. Чтобы предотвратить эту проблему, все изделия Samtec с вертикальным компрессионным креплением поставляют с функцией точной юстировки (канавки в углах вертикальных соединителей Samtec) – рис. 9б. Эти канавки позволяют проводить визуальное сопоставление с контрольными метками на печатной плате.
Компания Samtec выпустила также серию защелкивающихся вертикальных соединителей SMPM с возможностью монтажа без пайки. Конструкция с защелкиванием обеспечивает быстрое подключение в ограниченном пространстве и не требует применения динамометрического ключа.
Cinch Connectivity Solutions / Johnson, США
Компания Cinch Connectivity Solutions объявила о расширении серии соединителей 2.92 mm в результате создания вертикальных компрессионных соединителей Johnson 2.92 mm с боковым пазом и без него для монтажа без пайки на печатные платы [15]. Соединители 2.92 mm этой компании имеют низкие значения КСВН на частотах до 40 ГГц. Соединитель с боковым пазом используют для микрополосковых или заземленных копланарных волноводов (GCPW) на подложках из различных материалов и разной толщины плат. Эти новые соединители для вертикального монтажа являются частью растущего ассортимента продуктов Johnson 2.92 mm для 5G.
Кроме того, компания производит компрессионные вертикальные соединители SMA, SMPM и SMP. Максимальный КСВН соединителей SMA равен 1,20 на частотах до 26,5 ГГц, максимальный КСВН соединителей SMP – 1,50 на частотах до 40 ГГц, максимальный КСВН соединителей SMPM – 1,50 в диапазоне частот 0–65 ГГц.
Величина потерь соединителей указанных типов 0,12 √f, дБ ( f в ГГц ). Соединители SMP и SMPM совместимы с соединителями соответственно GPO и GPPO.
Внешний вид соединителей SMA, SMP и SMPM показан на рис. 10 [14].
Würth Elektronik, Германия
Компания Würth Elektronik – один из крупнейших в Европе производителей электронных и электромеханических компонентов. Недавно Würth Elektronik расширила семейство соединителей SMA для высокочастотных применений, включив в него два вертикальных соединителя WR-SMA – рис.11 [16]. В целях экономии корпусы соединителей вместо нержавеющей стали изготовлены из латуни с золотым покрытием. Разработаны соединители 60312872112545 и 60312872112546 – розетка SMA, рабочий диапазон частоты 0–27 ГГц, предельное напряжение 650 В, сопротивление изоляции 5 000 МОм, максимальный
КСВН – 1,3, диапазон рабочих температур от –65 до 165 °C. Соединители предназначены для установки на печатные платы толщиной от 0,58 до 3,12 мм.
Molex, США
Прецизионные измерительные компрессионные соединители компании Molex 1.85 mm (№73157-0000), 2.4 mm №73387-0021 и 2.92 mm №73252-0090 благодаря вертикальной конфигурации и уникальной конструкции могут создавать тестовые точки практически в любом месте печатной платы, что обеспечивает высокую гибкость проектирования.
Соединители предназначены для применения в высокоскоростных цифровых системах со скоростью передачи более 20 Гбит/с. Диапазон рабочих частот соединителей соответственно 0–50 ГГц и 0–40 ГГц, КСВН равен 1,10 (в диапазоне частот 0–26,5 ГГц), 1,15 (26,5–40 ГГц)
и 1,20 (40–50 ГГц). Величина потерь 0,03√f (ГГц), дБ, экранное затухание менее –100 дБ [17]. Соединители предназначены для установки без пайки на печатные платы толщиной от 0,57 до 2,79 мм.
Signal Microwave, США
Компания Signal Microwave разработала компрессионный вертикальный соединитель 2.92 mm (№ VLF40-002) с максимальными КСВН 1,2 и потерями 0,4 дБ в диапазоне частот 0–40 ГГц для применения в высокоскоростных цифровых системах. Рабочий диапазон температур: –55…105 °C, количество соединений и рассоединений 500 [18].
Talent Microwave, Китай
Компания Suzhou Talent Microwave (Китай), основанная в 2006 году, производит радиочастотные кабели, соединители и кабельные сборки. Продукция Talent Microwave поставляется более чем 30 странам [19]. В табл. 3 приведены параметры вертикальных соединителей, выпускаемых этой компанией для установки без пайки на печатные платы [19].
В качестве материала изолятора соединителей SMA применен фторопласт, остальных соединителей – Ultem 1 000. Сопротивление изоляции соединителей более 5 000 МОм, напряжение пробоя более 500 В.
Конструкция соединителя 2.4 mm этой компании приведена на рис. 12 [19].
Bo Jiang, Тайвань
Эта известная компания предлагает следующие серии прецизионных компрессионных соединителей для вертикальной установки без пайки на печатные платы: SMA, 2.92 mm, 2.4 mm и 1.85 mm с предельной частотой от 26,5 до 67 ГГц [20]. Соединители этой компании предназначены для работы с микрополосковыми и полосковыми линиями. Основное применение соединителей: мобильная связь (4G и 5G) и Интернет вещей, тестирование и системы высокоскоростной передачи данных.
Qualwave, Китай
Qualwave Inc. – ведущий разработчик и производитель компонентов для работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Компания выпускает следующие вертикальные соединители розетка и вилка для установки без пайки на печатные платы (в скобках приведена предельная частота, ГГц): QVLC-1F-1 (110), QVLC-V(67), QVLC-2 (50), QVLC-K(40), QVLC-S (26,5) [21]. Максимальный КСВН соединителей (в порядке убывания частоты): 1,5; 1,5; 1,40; 1.30; 1.25 [21]. Соединители этой компании применяют в электронных устройствах, которые необходимо часто заменять, например, в жестких дисках, мониторах и т. д., а также в автомобильной промышленности, в системах связи, медицине. Компания Qualwave Inc. стремится создавать соединители, соответствующие самым высоким отраслевым стандартам [21].
Focusimple, Китай
Компрессионные соединители без пайки сегодня являются одними из наиболее распространенных вариантов для высокоскоростного тестирования цифровых компонентов, а также для испытаний и измерений. Компания Focusimple уже более 10 лет работает
в сфере микроволновых технологий и предлагает широкий ассортимент соединителей для печатных плат. Разработаны компрессионные вертикальные соединители для микрополосковых и полосковых линий 1.0 mm, 1.85 mm, 2.4 mm и 2.92 mm. Рабочий диапазон температур: –40 …85 °C, количество соединений и рассоединений 500 [22].
Withwave, Южная Корея
Withwave – ведущий разработчик широкого спектра решений для тестирования радиочастотных и микроволновых сигналов, специализирующийся на анализе электромагнитных полей и обработке микроволновых сигналов.
Вертикальные соединители с Pogo Pin центральным контактом компании Withwave разработаны для вертикального монтажа без пайки и без деформации сигнальной дорожки на тестовой и измерительной платах – рис. 13 [4].
Предельные частоты этих соединителей: 26,5, 40, 50, 67 и 110 ГГц, КСВН соединителей: 1.85 mm – менее 1,3, 1,0 mm – менее 1,6 [21]. Диапазон рабочих температур: –40…125 °C. Техническая спецификация соединителей этой компании является одной из лучших. В ней приведены чертежи соединителей, методика установки на платы, показаны площадка для установки соединителя, измерительные платы и результаты измерений [4].
Taoglas, Китай
Разнообразие сфер применения, таких как высокоскоростная связь, спутниковая связь, военная и аэрокосмическая отрасли, а также постоянно меняющиеся требования к испытательным системам выводят соединители и кабельные сборки на новый уровень.
Компания Taoglas разработала
вертикальные компрессионные соединители 2.92 mm розетка и вилка, по своим присоединительным размерам совместимые с соединителями SMA и 3.5 mm [22].
Центральный проводник соединителя вилка укорочен, чтобы обеспечить соединение наружных проводников вилки и розетки, прежде чем произойдет соединение центральных проводников. Это гарантирует, что соединители не будут подвергаться чрезмерному износу и сокращает возможность повреждения центральных проводников. Типичные варианты использования соединителей компания Taoglas:
Hualink, Китай
Hualink – это универсальное предприятие в Шэньчжэне по проектированию и производству радиочастотных соединителей, кабельных сборок, адаптеров, аттенюаторов, нагрузок. Hualink представляет серию вертикальных соединителей для установки без пайки на МПЛ или CPW на подложках разных материалов и толщины. Созданы соединители розетка для работы в следующих диапазонах частот, ГГц: 0–26.5 (SMA), 0–34 (3.5 mm), 0–40 (2.92 mm),
0–50 (2.4 mm), 0–67 (1.85 mm) и 0–110 (1 mm), обеспечивающих оптимальную целостность сигнала. В рабочем диапазоне частот КСВН соединителей SMA, 3.5 mm и 2.4 mm – менее 1,3, соединителя 1 mm – 1,5 макс., потери не более 0,63 дБ.
***
При создании изделий СВЧ-техники, особенно мм-диапазона длин волн, выбор радиочастотного соединителя становится критически важным. Вертикальный компрессионный соединитель, устанавливаемый без пайки на печатные платы, является ключевым решением в проектировании СВЧ-устройств. Он не только упрощает компоновку и сборку печатных плат, но и обеспечивает стабильность передачи сигналов без существенных отражений и потерь. Необходимо особенно отметить китайские компании, которые активно работают над созданием вертикальных соединителей всех типов, включая соединители с предельной частотой 110 ГГц.
Автор выражает признательность В.И. Криворучко за полезные замечания в статье.
ЛИТЕРАТУРА
Solderless Vertical Launch Connector: The Ultimate Guide Vinstronics. 11 июля 2024 г.,
http://vinstronics.com.
RF Connector-Adaptor, Cable assembly,Board to Board, SMA. http://www.hualinkrf.com.
SV Microwave Introduces Solderless PCB Connectors...everythingrf.com.
Withwave's Vertical Launch Connector. with-wave.com.
Spring Loaded Pogo Pins & Connectors. ATTEND Technology. https://www.attend.com.tw.
Soldered versus Solderless Connections - SRA Resource Center. https://blog.sra-solder.com.
Solderless PCB Connectors. https://www.rosenberger.com.
SV Microwave Introduces Solderless PCB Connectors.
https://www.everythingrf.com.
What are Vertical Launch PCB Connectors? – Everything RF everythingrf.com.
Fairview Microwave Debuts New Line of Removable Vertical Launch Connectors with VSWR as Low as 1.3:1. 2018. www.aeccafe.com.
Solderless Vertical Launch Connectors from Pasternack. designworldonline.com.
Rosenberger Solderless PCB Connectors.
https://www.rosenberger.com.
Samtec Releases New Line of Vertical Solderless, Compression Mount Connectors from DC to 90 GHz. everythingrf.com.
Vertical & Edge Launch Solderless Compression
Mount. Test & Measurement Applications.
https://sudden docs.samtec.com.
Vertical Launch Connectors - Cinch Connectivity Solutions. https:// belfuse.com/cinch.
Würth Elektronik Introduces WR-SMA Solderless Connectors for High-Frequency PCB Applications, 6 сентября 2024 г. https://www.everythingrf.com.
Precision Compression-Mount Microwave Test
Connectors-Molex. www.everythingrf.com.
Signal Microwave | Home. https://signalmicrowave.com.
Vertical solderless connector |Suzhou Talent Microwave Inc. https://www.talentmw.com.
Solderless PCB Connectors | SMA Coaxial
Connector.bojiang.com.tw.
Vertical Launch Connectors | Qualwave.
http://qualwave.com.
PCB solderless connector. focusimple.com.
2.92mm(F) PCB Connector | Up to 40GHz Bands |
Taoglas. http://taoglas.com.
China RF Connectors, Adaptors, Cable Assembly Suppliers. Hualink Vertical Launch Connector. Oct 13, 2022.
Latest News. connectorrf.com.
Flexi RF Inc: RF Components - Adapters, Connectors, Cable. https://flexirf.com
К. Джуринский, к.т.н.
Проанализированы особенности конструкции вертикальных компрессионных соединителей СВЧ-диапазона для поверхностного монтажа без пайки на печатные платы. Показаны преимущества и недостатки этих соединителей. На большом фактическом материале рассмотрены вертикальные соединители США, Европы и Юго-Восточной Азии. В статье использована только открытая зарубежная информация.
Особенности конструкции вертикальных радиочастотных соединителей
Вертикальные радиочастотные соединители для поверхностного монтажа на печатные платы являются коаксиально-микрополосковыми переходами (КМПП), основное назначение которых – эффективный переход без отражений и потерь от коаксиальной линии соединителя к микрополосковой линии на печатной плате. Эти соединители для установки на печатные платы без пайки стали настоящим прорывом в области радиочастотных соединений. Они не только обеспечивают стабильность передачи сигнала, но и значительно упрощают компоновку и сборку печатных плат. Для установки на плату достаточно закрепить соединитель с заданным усилием на печатной плате с помощью крепежных винтов – рис. 1 [1]. Нередко с другой стороны печатной платы вместе с соединителем также привинчивают металлическую пластину жесткости, чтобы избежать напряжения и деформации платы.
Известны фланцевые корпусы вертикальных соединителей двух видов: с выборкой для выхода полоска микрополосковой линии (МПЛ) и без нее (рис. 2) [2]. На фланцах выполнены два резьбовых отверстия (резьба 0-80UNF-2B).
Корпусы вертикальных соединителей изготавливают из пассивированной нержавеющей стали или из латуни, покрытой износостойким золотом по подслою никеля,
а также сплавом «белая бронза». Материал изолятора соединителей выбирают в зависимости от его диэлектрических свойств и частотного диапазона. Чаще всего изоляторы изготавливают из политетрафторэтилена (ПТФЭ, фторопласта) и полимера Ultem 1000.
Контактные штыри соединителей изготавливают из хорошо проводящих материалов, таких как латунь или бериллиевая бронза. Высокая точность изготовления контактных штырей необходима для обеспечения правильного расположения и согласования импеданса с контактными площадками на печатной плате. Разработаны контактные штыри двух видов: «жесткие» (стандартные) и «мягкие» (Lite Touch – легкое касание) – рис. 3 [3]. На рисунке показан прогиб печатной платы толщиной 0,25 мм в результате давления «жесткого» кон-
такта. «Мягкий» контакт обеспечивает легкое касание платы без ее прогиба.
Похожая картина применения стандартного «жесткого» и «мягкого» контактных штырей вертикальных соединителей компании Withwave показана на рис. 4 [4]. «Мягкий» контакт Pogo Pin (Подпружиненный Контакт) вертикального соединителя не деформирует печатную плату.
Контакты Pogo Pin
Штыревой контакт Pogo Pin состоит из трех основных элементов: плунжера, корпуса и пружины рис. 5 [5]. Плунжер контактирует с позолоченной контактной площадкой на печатной плате, обеспечивая электрическое соединение. Пружина создает усилие, необходимое для выдвижения плунжера и его соединения с контактной площадкой.
В зарубежной технической литературе вертикальные соединители с контактами Pogo Pin называют компрессионными. По-видимому, имеется в виду образование контакта соединители с контактной площадкой на печатной плате за счет сжатия пружины и давления плунжера контакта Pogo Pin.
Преимущества и недостатки вертикальных радиочастотных соединителей, устанавливаемых без пайки
В отличие от традиционных радиочастотных соединителей, которые устанавливают горизонтально и соединяют пайкой с МПЛ тонкими золотыми ленточками или проволочками, вертикальные соединители помещают перпендикулярно печатной плате, что позволяет напрямую передавать сигнал с минимальными искажениями и потерями сигнала.
Паяные соединения требуют достаточно сложного процесса установки с участием квалифицированных специалистов и специального оборудования. Эти соединения трудно переделывать, и после установки их нельзя использовать повторно в других конструкциях.
Если соединители плохо припаяны, дорогостоящие печатные платы будут повреждены. Хотя паяные соединения необходимы в большинстве случаев, они не идеальны для таких применений как исследования, создание прототипов и тестирование, где ключевыми факторами являются гибкость и адаптивность [3].
Вертикальные соединители, устанавливаемые без пайки, можно легко поставить или снять (в случае износа или повреждения) даже в полевых условиях, не повредив печатные платы. Поэтому это более доступный, удобный и многоразовый вариант установки соединителя.
По сравнению с традиционными КМПП, компрессионные вертикальные соединители обеспечивают более высокую плотность установки: с небольшим шагом – около 15 мм. Они требуют меньше затрат на установку, позволяют экономить время и средства при производстве и повышать его эффективность.
Вертикальные соединители обеспечивают надежное электрическое соединение и высокоскоростную передачу сигналов по вертикали через слои печатной платы
с минимальными потерями и электромагнитными помехами [5, 6]. Эти прочные, долговечные и многоразовые компрессионные соединители применимы для печатных плат на подложках из разных материалов и толщины, даже самых тонких, толщиной 0,25 мм,
и не повреждают их. Соединители могут быть использованы для микрополосковых, копланарных и полосковых линий. Разработаны компрессионные вертикальные соединители (в скобках предельная частота в ГГц): SMA (27),
2.92 mm (40), 2.4 mm (50), 1.85 mm (65), 1.35 mm (90),
1.0 mm (110) и даже 0.8 mm (145).
Недостатком этих соединителей является зависимость электрического контакта от величины компрессии. Вибрация и удары ослабляют соединение. К тому же, каждый раз, когда соединитель отсоединяется или присоединяется, целостность соединения нарушается [5].
Области применения компрессионных вертикальных соединителей, устанавливаемых на печатные платы без пайки
С помощью этих соединителей можно создать удобную и практичную компоновку печатной платы, поскольку они экономят место и упрощают процесс проектирования. Надежное соединение без ухудшения электрических параметров – одно из основных преимуществ использования вертикального соединителя. Эти соединители хорошо подходят для использования в системах с ограниченным пространством.
Вертикальные соединители обеспечивают низкий уровень потерь при передаче сигналов в системах с высокой скоростью [6]. Эти соединители применяют для испытаний и измерений на сверхвысоких частотах в испытательных стендах, при определении характеристик печатных плат, а также в приложениях, где требуется минимальное излучение и связь с соседними схемами (рис. 6) [7].
Вертикальные радиочастотные соединители для печатных плат находят применение в различных отраслях промышленности, включая [9]:
телекоммуникации, высокоскоростные системы передачи данных: базовые станции сотовой связи, спутниковая связь и беспроводные маршрутизаторы;
аэрокосмическая промышленность: радиолокационные системы, авионика, оборудование спутниковых систем;
автомобильная промышленность: GPS-навигация, модули беспроводной связи;
медицинские устройства: системы мониторинга пациентов, медицинское оборудование для визуализации.
Вертикальные компрессионные соединители зарубежных компаний
Вертикальные компрессионные соединители для установки на печатные платы были созданы, по-видимому, ранее 2016 года. Несколько американских компаний первыми анонсировали появление вертикальных компрессионных соединителей: SV Microwave, Southwest Microwave, Fairview Microwave, Pasternack.
SV Microwave, США
По мере увеличения частоты и уменьшения толщины печатных плат стандартные соединители для монтажа на печатные платы могут создавать нежелательные эффекты на тонких (менее 0,25 мм) диэлектрических подложках. Компания SV Microwave представила вертикальные соединители Lite Touch с частотой 18, 40, 50 и 65 ГГц для точной установки на печатные платы на тонких подложках [8].Соединители имеют следующие параметры:
КСВН – 1,3 макс., напряжение пробоя – 500 В, количество соединений и рассоединений – более 500, экранное затухание – менее –100 дБ, диапазон рабочих температур
от –65 до 165 °C. Номенклатура соединителей компании SV Microwave приведена в табл. 1 [8].
Southwest Microwave, США
Компания Southwest Microwave разработала и выпускает вертикальные соединители Vertical Launch для микрополосковых или копланарных волноводов со следующими значениями КСВН, приведенными ниже [9]. Измерения КСВН соединителей были выполнены на печатных платах с подложками из материала RO3003.
1.0 mm. Максимальный КСВН: 1,16 в диапазоне частот 70–105 ГГц и 1,26 в диапазоне частот 105–110 ГГц. Эти данные получены при измерении на тестовой плате двух соединителей 1.0 mm, установленных на подложке толщиной 0,127 мм. Компания Southwest Microwave считает этот соединитель первым на рынке вертикальных соединителей для монтажа без пайки на печатную плату.
1.35 mm. КСВН – 1,25 макс. в диапазоне частот 0–90 ГГц при измерении двух соединителей 1.35 mm, установленных на плате с подложкой толщиной 0,127 мм.
1.85 mm. КСВН – 1,25 макс. в диапазоне частот 0–67 ГГц.
2.4 mm. КСВН – 1,18 макс. в диапазоне частот 0–50 ГГц.
2.92 mm. КСВН –1,095 макс. в диапазоне частот 0–50 ГГц
при измерении двух соединителей, установленных на платах с подложками толщиной 0,2 мм.
Рабочий диапазон температур соединителей:
–55…165 °C. Корпусы соединителей изготовлены из пассивированной нержавеющей стали, центральный контакт – из бериллиевой бронзы с золотым покрытием, изолятор – из Ultem 1000.
Fairview Microwave, Pasternack, США
В августе 2018 года компании Fairview Microwave и Pasternack выпустили одинаковые серии вертикальных соединителей для установки без пайки в высокоскоростных сетях и системах телекоммуникации [10, 11].
Каждая серия состоит из 12 соединителей розетка и вилка 2.4 mm, 2.92 mm и SMA, максимальный КСВН которых равен 1,3. Эти соединители могут устанавливаться без пайки на микрополосковые или полосковые линии. Внешний вид соединителей компании Pasternack показан на рис. 7 [11].
В настоящее время эти компании выпускают весь ассортимент соединителей в диапазоне частот 0–110 ГГц.
Rosenberger, Германия, США
Компания Rosenberger предлагает широкий ассортимент вертикальных соединителей для установки без пайки на сложные печатные платы для испытаний и измерений в диапазоне частот до 110 ГГц [12]. В комплект входят стандартные винты, дополнительные винты для более толстых печатных плат доступны по запросу. Разработаны экономичные соединители печатных плат для стандартных приложений с частотами до 90 ГГц, соединители с высоким уровнем параметров для работы на частотах до 110 ГГц и тестовые печатные платы в сборе с двумя соединителями.
Для применения при температурах до 125 °C созданы соединители RPC-1.35, RPC-1.85, RPC-2.40, RPC-2.92 и RPC-3.50 с изолятором из полимера PEEK. Количество циклов соединение/рассоединение – 500. Внешний вид соединителей показан на рис. 8 [12].
Частотная зависимость КСВН соединителей компании Rosenberger приведена в табл. 2 [12].
Samtec, США
Компания Samtec выпускает линейку вертикальных компрессионныx соединителей с предельной частотой 90 ГГц, имеющих функцию точной юстировки. Установка соединителя на печатную плату без пайки обеспечивает простую, быструю и экономичную замену его на печатной плате и исключает снижение производительности, которое обычно бывает при пайке. Эта новая линейка включает как резьбовые, так и защелкиваемые соединители: 135 cерия: 1.35 mm (90 ГГц); 185 cерия: 1,85 mm (65 ГГц);
240 cерия: 2,40 mm (50 ГГц); 292 cерия: 2,92 mm (40 ГГц); GPPO cерия: SMPM (65 ГГц) – рис. 9 [13, 14].
Толщина подложки печатной платы для соединителей 1.35 mm и SMPM от 0,4 до 3,2 мм, для соединителей 2.92 mm и 2.4 mm – от 1,0 до 2,5 мм.
Специалисты компании Samtec заметили, что при компрессионном монтаже может возникнуть небольшое смещение между соединителем и посадочной площадкой, что приводит к ухудшению качества передачи сигнала. Хотя на более низких частотах это ухудшение незначительно, на высоких частотах оно может стать проблематичным, и его очень трудно обнаружить. Ухудшение происходит даже при затяжке крепежных винтов с соблюдением требований по крутящему моменту. Чтобы предотвратить эту проблему, все изделия Samtec с вертикальным компрессионным креплением поставляют с функцией точной юстировки (канавки в углах вертикальных соединителей Samtec) – рис. 9б. Эти канавки позволяют проводить визуальное сопоставление с контрольными метками на печатной плате.
Компания Samtec выпустила также серию защелкивающихся вертикальных соединителей SMPM с возможностью монтажа без пайки. Конструкция с защелкиванием обеспечивает быстрое подключение в ограниченном пространстве и не требует применения динамометрического ключа.
Cinch Connectivity Solutions / Johnson, США
Компания Cinch Connectivity Solutions объявила о расширении серии соединителей 2.92 mm в результате создания вертикальных компрессионных соединителей Johnson 2.92 mm с боковым пазом и без него для монтажа без пайки на печатные платы [15]. Соединители 2.92 mm этой компании имеют низкие значения КСВН на частотах до 40 ГГц. Соединитель с боковым пазом используют для микрополосковых или заземленных копланарных волноводов (GCPW) на подложках из различных материалов и разной толщины плат. Эти новые соединители для вертикального монтажа являются частью растущего ассортимента продуктов Johnson 2.92 mm для 5G.
Кроме того, компания производит компрессионные вертикальные соединители SMA, SMPM и SMP. Максимальный КСВН соединителей SMA равен 1,20 на частотах до 26,5 ГГц, максимальный КСВН соединителей SMP – 1,50 на частотах до 40 ГГц, максимальный КСВН соединителей SMPM – 1,50 в диапазоне частот 0–65 ГГц.
Величина потерь соединителей указанных типов 0,12 √f, дБ ( f в ГГц ). Соединители SMP и SMPM совместимы с соединителями соответственно GPO и GPPO.
Внешний вид соединителей SMA, SMP и SMPM показан на рис. 10 [14].
Würth Elektronik, Германия
Компания Würth Elektronik – один из крупнейших в Европе производителей электронных и электромеханических компонентов. Недавно Würth Elektronik расширила семейство соединителей SMA для высокочастотных применений, включив в него два вертикальных соединителя WR-SMA – рис.11 [16]. В целях экономии корпусы соединителей вместо нержавеющей стали изготовлены из латуни с золотым покрытием. Разработаны соединители 60312872112545 и 60312872112546 – розетка SMA, рабочий диапазон частоты 0–27 ГГц, предельное напряжение 650 В, сопротивление изоляции 5 000 МОм, максимальный
КСВН – 1,3, диапазон рабочих температур от –65 до 165 °C. Соединители предназначены для установки на печатные платы толщиной от 0,58 до 3,12 мм.
Molex, США
Прецизионные измерительные компрессионные соединители компании Molex 1.85 mm (№73157-0000), 2.4 mm №73387-0021 и 2.92 mm №73252-0090 благодаря вертикальной конфигурации и уникальной конструкции могут создавать тестовые точки практически в любом месте печатной платы, что обеспечивает высокую гибкость проектирования.
Соединители предназначены для применения в высокоскоростных цифровых системах со скоростью передачи более 20 Гбит/с. Диапазон рабочих частот соединителей соответственно 0–50 ГГц и 0–40 ГГц, КСВН равен 1,10 (в диапазоне частот 0–26,5 ГГц), 1,15 (26,5–40 ГГц)
и 1,20 (40–50 ГГц). Величина потерь 0,03√f (ГГц), дБ, экранное затухание менее –100 дБ [17]. Соединители предназначены для установки без пайки на печатные платы толщиной от 0,57 до 2,79 мм.
Signal Microwave, США
Компания Signal Microwave разработала компрессионный вертикальный соединитель 2.92 mm (№ VLF40-002) с максимальными КСВН 1,2 и потерями 0,4 дБ в диапазоне частот 0–40 ГГц для применения в высокоскоростных цифровых системах. Рабочий диапазон температур: –55…105 °C, количество соединений и рассоединений 500 [18].
Talent Microwave, Китай
Компания Suzhou Talent Microwave (Китай), основанная в 2006 году, производит радиочастотные кабели, соединители и кабельные сборки. Продукция Talent Microwave поставляется более чем 30 странам [19]. В табл. 3 приведены параметры вертикальных соединителей, выпускаемых этой компанией для установки без пайки на печатные платы [19].
В качестве материала изолятора соединителей SMA применен фторопласт, остальных соединителей – Ultem 1 000. Сопротивление изоляции соединителей более 5 000 МОм, напряжение пробоя более 500 В.
Конструкция соединителя 2.4 mm этой компании приведена на рис. 12 [19].
Bo Jiang, Тайвань
Эта известная компания предлагает следующие серии прецизионных компрессионных соединителей для вертикальной установки без пайки на печатные платы: SMA, 2.92 mm, 2.4 mm и 1.85 mm с предельной частотой от 26,5 до 67 ГГц [20]. Соединители этой компании предназначены для работы с микрополосковыми и полосковыми линиями. Основное применение соединителей: мобильная связь (4G и 5G) и Интернет вещей, тестирование и системы высокоскоростной передачи данных.
Qualwave, Китай
Qualwave Inc. – ведущий разработчик и производитель компонентов для работы в сантиметровом и миллиметровом диапазонах длин волн. Компания выпускает следующие вертикальные соединители розетка и вилка для установки без пайки на печатные платы (в скобках приведена предельная частота, ГГц): QVLC-1F-1 (110), QVLC-V(67), QVLC-2 (50), QVLC-K(40), QVLC-S (26,5) [21]. Максимальный КСВН соединителей (в порядке убывания частоты): 1,5; 1,5; 1,40; 1.30; 1.25 [21]. Соединители этой компании применяют в электронных устройствах, которые необходимо часто заменять, например, в жестких дисках, мониторах и т. д., а также в автомобильной промышленности, в системах связи, медицине. Компания Qualwave Inc. стремится создавать соединители, соответствующие самым высоким отраслевым стандартам [21].
Focusimple, Китай
Компрессионные соединители без пайки сегодня являются одними из наиболее распространенных вариантов для высокоскоростного тестирования цифровых компонентов, а также для испытаний и измерений. Компания Focusimple уже более 10 лет работает
в сфере микроволновых технологий и предлагает широкий ассортимент соединителей для печатных плат. Разработаны компрессионные вертикальные соединители для микрополосковых и полосковых линий 1.0 mm, 1.85 mm, 2.4 mm и 2.92 mm. Рабочий диапазон температур: –40 …85 °C, количество соединений и рассоединений 500 [22].
Withwave, Южная Корея
Withwave – ведущий разработчик широкого спектра решений для тестирования радиочастотных и микроволновых сигналов, специализирующийся на анализе электромагнитных полей и обработке микроволновых сигналов.
Вертикальные соединители с Pogo Pin центральным контактом компании Withwave разработаны для вертикального монтажа без пайки и без деформации сигнальной дорожки на тестовой и измерительной платах – рис. 13 [4].
Предельные частоты этих соединителей: 26,5, 40, 50, 67 и 110 ГГц, КСВН соединителей: 1.85 mm – менее 1,3, 1,0 mm – менее 1,6 [21]. Диапазон рабочих температур: –40…125 °C. Техническая спецификация соединителей этой компании является одной из лучших. В ней приведены чертежи соединителей, методика установки на платы, показаны площадка для установки соединителя, измерительные платы и результаты измерений [4].
Taoglas, Китай
Разнообразие сфер применения, таких как высокоскоростная связь, спутниковая связь, военная и аэрокосмическая отрасли, а также постоянно меняющиеся требования к испытательным системам выводят соединители и кабельные сборки на новый уровень.
Компания Taoglas разработала
вертикальные компрессионные соединители 2.92 mm розетка и вилка, по своим присоединительным размерам совместимые с соединителями SMA и 3.5 mm [22].
Центральный проводник соединителя вилка укорочен, чтобы обеспечить соединение наружных проводников вилки и розетки, прежде чем произойдет соединение центральных проводников. Это гарантирует, что соединители не будут подвергаться чрезмерному износу и сокращает возможность повреждения центральных проводников. Типичные варианты использования соединителей компания Taoglas:
- сети 5G на миллиметровых волнах и инфраструктура связи;
- высокочастотные точки беспроводного доступа на базе небольших ячеек;
- сверхскоростные внешние магистральные фиксированные и мобильные точки беспроводного доступа MIMO;
- контрольно-измерительные приборы;
- высокоскоростные приложения, SATCOM.
Hualink, Китай
Hualink – это универсальное предприятие в Шэньчжэне по проектированию и производству радиочастотных соединителей, кабельных сборок, адаптеров, аттенюаторов, нагрузок. Hualink представляет серию вертикальных соединителей для установки без пайки на МПЛ или CPW на подложках разных материалов и толщины. Созданы соединители розетка для работы в следующих диапазонах частот, ГГц: 0–26.5 (SMA), 0–34 (3.5 mm), 0–40 (2.92 mm),
0–50 (2.4 mm), 0–67 (1.85 mm) и 0–110 (1 mm), обеспечивающих оптимальную целостность сигнала. В рабочем диапазоне частот КСВН соединителей SMA, 3.5 mm и 2.4 mm – менее 1,3, соединителя 1 mm – 1,5 макс., потери не более 0,63 дБ.
***
При создании изделий СВЧ-техники, особенно мм-диапазона длин волн, выбор радиочастотного соединителя становится критически важным. Вертикальный компрессионный соединитель, устанавливаемый без пайки на печатные платы, является ключевым решением в проектировании СВЧ-устройств. Он не только упрощает компоновку и сборку печатных плат, но и обеспечивает стабильность передачи сигналов без существенных отражений и потерь. Необходимо особенно отметить китайские компании, которые активно работают над созданием вертикальных соединителей всех типов, включая соединители с предельной частотой 110 ГГц.
Автор выражает признательность В.И. Криворучко за полезные замечания в статье.
ЛИТЕРАТУРА
Solderless Vertical Launch Connector: The Ultimate Guide Vinstronics. 11 июля 2024 г.,
http://vinstronics.com.
RF Connector-Adaptor, Cable assembly,Board to Board, SMA. http://www.hualinkrf.com.
SV Microwave Introduces Solderless PCB Connectors...everythingrf.com.
Withwave's Vertical Launch Connector. with-wave.com.
Spring Loaded Pogo Pins & Connectors. ATTEND Technology. https://www.attend.com.tw.
Soldered versus Solderless Connections - SRA Resource Center. https://blog.sra-solder.com.
Solderless PCB Connectors. https://www.rosenberger.com.
SV Microwave Introduces Solderless PCB Connectors.
https://www.everythingrf.com.
What are Vertical Launch PCB Connectors? – Everything RF everythingrf.com.
Fairview Microwave Debuts New Line of Removable Vertical Launch Connectors with VSWR as Low as 1.3:1. 2018. www.aeccafe.com.
Solderless Vertical Launch Connectors from Pasternack. designworldonline.com.
Rosenberger Solderless PCB Connectors.
https://www.rosenberger.com.
Samtec Releases New Line of Vertical Solderless, Compression Mount Connectors from DC to 90 GHz. everythingrf.com.
Vertical & Edge Launch Solderless Compression
Mount. Test & Measurement Applications.
https://sudden docs.samtec.com.
Vertical Launch Connectors - Cinch Connectivity Solutions. https:// belfuse.com/cinch.
Würth Elektronik Introduces WR-SMA Solderless Connectors for High-Frequency PCB Applications, 6 сентября 2024 г. https://www.everythingrf.com.
Precision Compression-Mount Microwave Test
Connectors-Molex. www.everythingrf.com.
Signal Microwave | Home. https://signalmicrowave.com.
Vertical solderless connector |Suzhou Talent Microwave Inc. https://www.talentmw.com.
Solderless PCB Connectors | SMA Coaxial
Connector.bojiang.com.tw.
Vertical Launch Connectors | Qualwave.
http://qualwave.com.
PCB solderless connector. focusimple.com.
2.92mm(F) PCB Connector | Up to 40GHz Bands |
Taoglas. http://taoglas.com.
China RF Connectors, Adaptors, Cable Assembly Suppliers. Hualink Vertical Launch Connector. Oct 13, 2022.
Latest News. connectorrf.com.
Flexi RF Inc: RF Components - Adapters, Connectors, Cable. https://flexirf.com
Отзывы читателей
