Эволюция радиочастотных соединителей для электроники СВЧ. В поиске компромиссных решений.
Часть 2. Соединители SMP

Первая часть статьи.

Радиочастотные соединители миллиметрового диапазона частот

Теоретическая предельная частота, ГГц, при которой в коаксиальной линии радиочастотного соединителя с внутренним диаметром наружного проводника D, диаметром центрального проводника d и диэлектрической проницаемостью изолятора ε еще не возникают нежелательные волны высшего типа, равна:

f_пред. ≈ 190,8/√ε (D + d). (1)

Поэтому при создании соединителей миллиметрового диапазона длин волн применяется воздушная коаксиальная линия (ε = 1), и ее размеры тем меньше, чем выше предельная частота. Центральный проводник закрепляется в корпусе соединителя с помощью тонкой диэлектрической шайбы.

Работы по созданию этих соединителей были выполнены в 1970–1980 гг. (компании Amphenol, Maury, Weinschel Engineering, Kelvin Microwave) [1]. В начале 1970‑х годов был разработан соединитель с предельной частотой 34 ГГц (соединитель 3.5 mm) c воздушной коаксиальной линией размерами 3,5/1,52 мм. С 1975 по 1983 годы были созданы соединители 2.9 mm c воздушной коаксиальной линией размерами 2,92/1,27 мм, имеющие предельную частоту 40 ГГц. Все эти соединители имели конструкцию, сходную с конструкцией соединителя SMA, были совместимы с ним и сохраняли основные недостатки SMA: большие размеры и массу, а также необходимость применения тарированного ключа для резьбового соединения вилки и розетки.

Эти недостатки удалось устранить американской компании Corning Gilbert, США (www.corninggilbert.сom) созданием в 1980‑х годах микроминиатюрных соединителей GPO (Gilbert Push-On) с предельной частотой 40 ГГц [1, 2]. В настоящее время эти соединители, получившие название SMP (Subminiature Push-On), выпускают несколько десятков зарубежных компаний.

Соединители SMP

В микроминиатюрных соединителях SMP применена коаксиальная линия, полностью заполненная диэлектриком, эквивалентная воздушной коаксиальной линии соединителей 2.9 mm. Создание соединителей SMP стало началом освоения миллиметрового диапазона длин волн микроминиатюрными радиочастотными соединителями.

Это оказалось возможным благодаря тому, что:

• было показано, что предельную частоту 40 ГГц, а впоследствии и более высокую, можно достичь в коаксиальной линии соединителя, полностью заполненной диэлектриком (фторопластом или аналогичными полимерами, а также стеклом) с низкой диэлектрической проницаемостью, только за счет уменьшения размеров самой линии;
• был создан оригинальный механизм соединения защелкиванием вилки и розетки. Для соединения защелкиванием наружных проводников на внутренней поверхности корпуса вилки выполнена канавка, в которую защелкивается выступ на наружной поверхности стыкуемой части розетки с продольными разрезами, изготовленной из термообработанной бериллиевой бронзы. Соединение внутренних проводников вилки и розетки — стандартное цанговое.

Интерфейс соединителей SMP (рис. 1) соответствует стандарту MIL-STD‑348A.

Рис. 1. Интерфейс соединителей SMP (а, б), в — соединение вилок с прямыми и угловыми кабельными соединителями

Разработаны и выпускаются вилки SMP со следующими вариантами соединения:

• полное защелкивание или блокировка (Full Detent, Lock–on), используемая в соединителях, работающих в условиях жесткой вибрации (рис. 1а);
• ограниченное защелкивание (Limited Detent);
• скользящее соединение (Smooth Bore), осуществляемое распружиниванием выступа вилки в розетке с гладкой (без канавки) внутренней поверхностью (рис. 1б). Разновидностью скользящего соединения является соединение Catcher’s Mitt, главное отличие которого — широкая (под углом 45°) заходная фаска вилки.

Конструкция соединителей SMP рассмотрена в работах [1, 2]. Прямые и угловые кабельные и приборно-кабельные соединители предназначены для работы с миниатюрными полужесткими кабелями 0,086˝ (RG‑405) и 0,047˝, а также с гибкими и формуемыми вручную кабелями. Наибольшее применение имеют герметичные вилки в металлических корпусах с внутренним металлостеклянным спаем центрального проводника. Стеклянный изолятор все компании изготавливают из стекла Corning 7070, имеющего наименьшую из всех стекол диэлектрическую проницаемость (ε = 4). В негерметичных вилках в качестве диэлектрика применяют фторопласт (PTFE), а в вилках для монтажа на платы — LCP (Liquid Cristal Polymer). Кроме того, разработаны составные вилки, состоящие из фланцевого корпуса (shroud), изготовленного из нержавеющей стали, и металлостеклянного СВЧ-ввода, предварительно устанавливаемого в стенку корпуса изделия.

Рис. 2. Соединители SMP

Внешний вид соединителей SMP показан на рис. 2. Соединители SMP привлекли внимание разработчиков изделий СВЧ своей миниатюрностью (масса кабельного соединителя менее 0,75 г) и отсутствием резьбового соединения вилки и розетки. Кроме того, они обеспечивают быстрое соединение печатных плат и модулей СВЧ даже при аксиальной и радиальной несоосности до 0,25 мм и минимальном межцентровом расстоянии между соединителями 4,3 мм [2]. Появилась возможность «вслепую» (blind mate) соединять между собой платы и модули СВЧ с помощью адаптеров bullet без применения кабелей (рис. 3). При этом расстояние между платами и модулями определяется размерами адаптера bullet.

Рис. 3. Соединение с помощью адаптера bullet

Способы межплатного и межмодульного соединения при помощи соединителей SMP — вилки с ограниченным или полным защелкиванием, вилки со скользящим соединением (Smooth Bore) и адаптера bullet — в настоящее время широко применяется в изделиях микроэлектроники СВЧ. Соединители SMP позволяют создавать изделия СВЧ-диапазона с улучшенными массогабаритными характеристиками, использовать технологию автоматизированного поверхностного монтажа изделий и снизить их стоимость. Неслучайно поэтому, что вслед за Corning Gilbert еще более 30 компаний США, Европы и Юго-Восточной Азии наладили производство этих соединителей, присвоив им свое фирменное обозначение: GPO, SMP, mmSP, OSMP, SMPX.

Зарубежные компании выпускают огромное количество типов и типоразмеров соединителей SMP:

• 77 прямых и угловых кабельных соединителей — Dynawave, США (www.dynawave.com);
• 76 приборных вилок и shroud — Cristek, США (www.cristek.com);
• 12 вилок для монтажа в отверстия печатной платы — Radiall, Франция (www.radiall.com);
• 13 вилок для поверхностного монтажа и 12 адаптеров bullet — Rosenberger, Германия (www.rosenberger.com);
• 93 концевые вилки и более 30 адаптеров разных типов — Spectrum Electrotechnik, Германия (www.spectrum-et.org).

Параметры соединителей SMP соответствуют стандарту MIL-PRF‑39012 (табл. 1).

* ПЗ — полное защелкивание, ОЗ — ограниченное защелкивание, СС — скользящее соединение

Соединители SMPM

Компания Corning Gilbert продолжила работу по созданию еще более миниатюрных соединителей с большей предельной частотой. Тогда же, в 1980‑х годах, были разработаны соединители GPPO с предельной частотой 65 ГГц, приблизительно на 30% миниатюрнее своих предшественников, соединителей GPO. Сегодня эти соединители под собственными фирменными названиями: SMPM, MINI-SMP, MMPX, SMPSM, MSSS, SSMP (далее SMPM) выпускают десятки компаний всего мира. Благодаря миниатюрности и высокому уровню электрических параметров они нашли применение в сложных многофункциональных модулях СВЧ с высокой плотностью компоновки.

Интерфейс соединителей SMPM соответствует стандарту MIL-STD‑348A и подобен интерфейсу своих предшественников, соединителей SMP, но с уменьшенными размерами коаксиальной линии (рис. 4).

Рис. 4. Интерфейс соединителей SMPM

В соединителях SMPM применена коаксиальная линия, полностью заполненная диэлектриком, эквивалентная воздушной коаксиальной линии размерами 1,85/0,83 мм соединителей 1,85 мм [1, 2]. По аналогии с соединителями SMP разработаны все типы соединителей SMPM. Прямые и угловые кабельные и приборно-кабельные соединители предназначены для работы с миниатюрными полужесткими кабелями 0,086˝ (RG‑405) и 0,047˝, а также с гибкими и формуемыми вручную кабелями. Приборные вилки, монтируемые в стенки корпусов или в панели изделий, имеют несколько разновидностей: впаиваемые, под лазерную сварку, резьбовые и запрессовываемые в корпуса из алюминиевых и титановых сплавов. Созданы вилки для установки в отверстия печатных плат, для поверхностного монтажа на платы и устанавливаемые на концах печатной платы. Адаптеры bullet обеспечивают соединение «вслепую» и гибкую связь между вилками, установленными на платах, позволяя компенсировать несоосность и отклонение в расстоянии между соединяемыми платами, на которые установлены вилки. По заказам потребителей компании выпускают bullet разной длины в зависимости от требуемого расстояния между платами. Для совместимости с соединителями других типов (SMA, 3.5 mm, 2.92 mm, 2.4 mm и 1.85 mm) разработаны межсерийные адаптеры.

Внешний вид соединителей SMPM показан на рис. 5.

Рис. 5. Соединители SMPM

Зарубежные компании выпускают большое количество типов и типоразмеров соединителей SMPM:

• 29 прямых и угловых кабельных соединителей — Corning Gilbert, США;
• 73 приборных вилок и shroud, 18 вилок для монтажа в отверстия печатной платы, 13 вилок для поверхностного монтажа и 17 концевых вилок — Micro-Mode, США (www.micromode.com);
• 40 адаптеров bullet и 41 межсерийных адаптеров — W.L. Gore, США (www.gore.com).

Параметры соединителей SMPM приведены в табл. 1. Реальные параметры зависят от многих факторов: вида соединителей (прямые или угловые, кабельные, приборные, для установки на платы), применяемого кабеля и способа его заделки в соединитель, от способа установки соединителя в корпус или на печатную плату. Параметры конкретных соединителей SMPM компании-производители приводят в технической документации.

Отметим, что американская компания Micro-Mode разработала не только стандартные соединители SMPM, но и собственную серию соединителей MSSS с предельной частотой 75 ГГц.

Хотя соединение защелкиванием достаточно надежно при воздействии вибрационных и ударных нагрузок, но все же уступает резьбовому соединению. Напрашивалось решение объединить оба эти соединения. И такое решение предложила компания Astrolab (в настоящее время в составе компании Huber+Suhner, Швейцария), разработав соединители SMPM-T, сочетающие традиционное соединение защелкиванием с дополнительным резьбовым соединением при помощи подвижной гайки (рис. 6).

Рис. 6. Соединитель SMPM-T:
а) внешний вид,
б) конструкция

Соединители SMPM-T имеют достаточно высокий уровень параметров в условиях жестких механических воздействий (удары с ускорением более 12 000g), однако размеры соединения стали больше. Предложенное решение применимо только к прямым кабельным соединителям.

Соединители SMP100

Казалось бы, дальнейшая миниатюризация и достижение предельных частот закончились с появлением соединителей SMPM. Однако эволюция продолжалась. Компания Corning Gilbert, создала серию «наноминиатюрных» (термин компании) соединителей G3PO с предельной частотой 100 ГГц. Затем подобные аналогичные соединители начали выпускать и другие компании: Amphenol/SV Microwave — SMPS, Gore — GORE100, BJG (www.bjgelectronics.com) — BJG100, Rosenberger — WSMP. Были созданы совместимые между собой соединители SMP100, которые миниатюрнее на 45% соединителей SMP и на 30% — соединителей SMPM. В соединителях SMP100 применена коаксиальная линия, полностью заполненная диэлектриком, эквивалентная воздушной коаксиальной линии размерами 1,0/0,434 мм соединителей 1,0 мм.

Основная цель их создания — максимально возможная плотность компоновки изделий, прежде всего военного назначения, а также применение в широкополосной автоматизированной измерительной аппаратуре.

Разработаны прямые кабельные соединители вилка и розетка (кабель 0,047˝), концевые вилки, bullet длиной 2,5…12,7 мм, а также адаптеры (вилка и розетка) для совместимости с соединителями 1,85, 2.4, 2,92 мм и SMA (рис. 7).

Рис. 7. Соединители G3PO

Параметры соединителей SMP100 приведены в табл. 1.

Итоги миниатюризации соединителей SMP

В результате работ компании Corning Gilbert и ряда других компаний предельную частоту соединителей удалось поднять с 40 до 100 ГГц. Это было сделано за счет уменьшения размеров коаксиальной линии соединителей. Диаметры центральных проводников соединителей SMP, SMPM и SMP100 соответственно равны 0,38; 0,28 и 0,23 мм. Расстояния между осями соединителей SMP, SMPM и SMP100 при их расположении в ряд стали соответственно 4,45; 3,30 и 2,16 мм.

Однако дальнейшая миниатюризация соединителей SMP представляется вряд ли целесообразной. Соединители с уменьшенными размерами коаксиальной линии и повышенной предельной частотой значительно потеряли в величине допустимой передаваемой мощности сигналов СВЧ (рис. 8). Передаваемая мощность на частоте 40 ГГц соединителей SMPM (GPPO) стала приблизительно на 30%, а соединителей SMP100 (G3PO) в два раза меньше, чем у соединителей SMP (GPO). Поэтому соединители с расширенным диапазоном рабочих частот в ряде случаев могут оказаться невостребованными, так как не обеспечивают пропускание сигнала СВЧ, необходимого уровня мощности.

Рис. 8. Частотная зависимость допустимой пропускаемой мощности соединителей SGMS, GPO, GPPO G3PO (данные компании Corning Gilbert)

Соединители P‑SMP  И SMP-MAX c высокой передаваемой мощностью

Cоединители SMP не обеспечивают пропускание сигналов такой же мощности, как широко применяемые соединители SMA. Между тем, для ряда применений достаточны частоты до 10 ГГц, но необходим повышенный уровень пропускаемой мощности сигналов: 100–200 Вт на частотах 2–3 ГГц. Потребовались соединители, которые сочетали бы преимущества соединителей SMP (расположение на платах с минимальным шагом при разном расстоянии между платами, быстрота и удобство соединения) и стандартных соединителей SMA (повышенная допустимая пропускаемая мощность и высокий уровень электрических параметров).

Допустимая пропускаемая мощность (P) ограничена электрическим и тепловым пробоями и зависит от размеров коаксиальной линии соединителя [3]:

P ≈ E_max d² ln (D/d), (2)

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

Чтобы увеличить пропускаемую мощность, в соответствии с формулой (2) нужно увеличить размеры коаксиальной линии, но при этом уменьшается предельная частота соединителя.

Было выбрано компромиссное решение: для увеличения пропускаемой мощности размеры коаксиальной линии соединителей увеличили и приблизили к размерам коаксиальной линии соединителей SMA, но в результате этого уменьшились их предельная частота и диапазон рабочих частот.

Соединители повышенной мощности: P‑SMP (Power SMP) и SMP-MAX создали в 2010 г. компании Rosenberger и Radiall для применения в телекоммуникационных системах, в компактных базовых станциях и мобильных устройствах нового поколения. В основу конструкции соединителей P‑SMP и SMP-MAX был положен тот же механизм защелкивания пары соединителей, как и в соединителях SMP [1, 2]. Интерфейс соединителя P‑SMP показан на рис. 9.

Рис. 9. Интерфейс соединителей P-SMP

Компании Rosenberger и Radiall, а позднее IMS Connector systems (www.imscs.com), Molex и Amphenol разработали большое количество прямых, угловых и концевых вилок с защелкиванием и со скользящим соединением для установки на платы и адаптеров bullet разной длины для обеспечения требуемого расстояния между платами. Были разработаны прямые и угловые кабельные соединители для работы с полужесткими (UT141, RG405, 0,086˝) и формуемыми вручную кабелями, а также с гибкими кабелями RG174, RG316.

Особое внимание было уделено вилкам со скользящим соединением, чтобы обеспечить надежное соединение с bullet даже при большой величине аксиальной и радиальной несоосности. При большой несоосности применены вилки с разновидностью скользящего соединения — Catcher’s Mitt (рис. 10).

Рис. 10. Вилки со скользящим соединением Catcher’s Mitt для установки на печатные платы:
а) стандартная,
б) с увеличенным входом (medium catching range),
в) с широким входом (big catching range)

Соединители с увеличенным широким входом обеспечивают надежное соединение печатных плат при больших величинах аксиальной и радиальной несоосностях.

Допустимые аксиальная и радиальная несоосности для соединителей P‑SMP соответственно равны ±1 мм и 3°, для соединителей SMP-MAX — 2 мм и 3–4°.

Параметры соединителей P‑SMP и SMP-MAX приведены в табл. 1. Теоретическая предельная частота этих соединителей 18 ГГц. Однако компании гарантируют диапазон рабочих частот соединителей P‑SMP 0–10 ГГц, соединителей SMP-MAX: 0–6 ГГц.

В технической документации на отдельные модификации соединителей указан диапазон рабочих частот 0–18 ГГц, при этом максимальный КСВН в диапазоне частот 0–10 ГГц не более 1,12.

А что у нас?

В нашей стране соединители SMP выпускают следующие предприятия [2]:

• АО «НПП «Исток» им. А. И. Шокина», г. Фрязино (www.istokmw.ru);
• ОАО «Иркутский релейный завод» (www.irkirz.ru);
• НПФ «Микран», г. Томск (www.micran.ru).

В АО «НПП «Исток» им. А. И. Шокина» в 2010–2012 гг. при участии ЗАО «Радиант-Элком» и ОАО «Иркутский релейный завод» впервые в нашей стране была создана серия соединителей SMP с предельной частотой 40 ГГц (КРПГ. 434511.019 ТУ). Разработаны следующие модификации этих соединителей:

• вилка приборная герметичная КРПГ. 433434.054;
• кабельные соединители розетки (6 типов): прямые КРПГ. 434511.020 и угловые: КРПГ. 434511.019 под зарубежные полужесткие кабели 0,086˝, 0,047˝ и отечественные кабели РК50–1-23, РК50–1-24, РК50–1,5–22;
• герметичный приборный адаптер вилка-вилка КРПГ. 434511.021, не имеющий зарубежных аналогов (патент на полезную модель № 130150, приоритет от 20 декабря 2012 г.).

Разработанные соединители являются аналогами соединителей SMP компании Rosenberger и предназначены для применения в модулях СВЧ с плотной компоновкой. В настоящее время эти же модификации соединителей SMP освоил и выпускает ОАО «Иркутский релейный завод» (КАПД.434511.019 ТУ).

Рис. 11. Соединители SMP АО «НПП «Исток» им. А.И. Шокина»: 1-вилка кабельная прямая, 2- вилка кабельная угловая, 3- вилка приборная герметичная, 4-адаптер вилка-вилка

Внешний вид разработанных соединителей SMP показан на рис. 11, а их основные параметры приведены в табл. 2.

НПФ «Микран» выпускает два типа соединителей SMP для диапазона частот 0–20 ГГц: герметичную приборную вилку с полным защелкиванием ПКМ‑26–038/1,27 и прямую кабельную розетку РК1–20–16 Р‑2,1 (кабель 0,086˝). В этом диапазоне частот КСВН приборной вилки и кабельной розетки соответственно равны 1,3 и 1,2, величина потерь — 0,4 дБ.

Итоги

Необходимость создания новых соединителей, аналогов SMP, была продиктована особенностями их применения. Эволюция этих соединителей происходила в результате компромиссных решений. Миниатюризация соединителей SMP привела к уменьшению их допустимой пропускаемой мощности. Создание же соединителей с увеличенной пропускаемой мощностью (P‑SMP и SMP-MAX) привело к значительному уменьшению диапазона рабочих частот.

В настоящее время эволюция соединителей SMP продолжается. Не исключено, что скоро могут появиться новые модификации этих соединителей.

Автор выражает благодарность А.А. Прокимову за полезные замечания.