表贴射频连接器高频匹配与无缆化射频模块结构研究与设计

廖翱 景飞 舒攀林 张童童 杨锦

摘  要：针对传统电缆互联模块集成度低、装配复杂、通道一致性难以保证等问题，文章提出了一种无缆化射频模块的结构设计方案，并针对内部表贴射频连接器与射频母板之间的高频过渡匹配结构进行了研究优化。文章所优化出的高频过渡匹配结构在0.5～40 GHz宽带范围传输驻波均低于20 dB，提出的无缆化模块内部采用盲插互联，整体结构紧凑、装配简洁。模块内通过不同功能SiP组合即可实现不同功能需求，整体结构复用性强，功能派生方便。

关键词：表贴射频连接器；SiP；集成弯式转接器；无缆化模块

中图分类号：TM503.5  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）18-0078-05

Research and Design of High-frequency Matching for RF Meter Sticker Connector and the Cable-free RF Module Structure

LIAO Ao， JING Fei， SHU Panlin， ZHANG Tongtong， YANG Jin

（The 29th Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation， Chengdu  610036， China）

Abstract： Aiming at the problems of low integration， complex assembly and poor channel consistency of traditional cable interconnection module， a structural design scheme of cable-free RF module is proposed in this paper， and the high-frequency transition matching structure between RF meter sticker connector and RF mother board is studied and optimized. The high-frequency transition matching structure optimized in this paper transmits standing waves less than 20 dB in the broadband range of 0.5～40 GHz. The proposed internal cable-free module adopts blind interconnecting， and the overall structure is compact and the assembly is simple. The different functional requirements can be realized through the combination of different functions of SiP in the module， and the overall structure has strong reuse and convenient function derivation.

Keywords： RF meter sticker connector; SiP; integrated bend adapter; cable-free module

0  引  言

近年来，随着移动通信及电子对抗领域不断向着多功能、小型化、高频率等方向发展，对产品性能要求更高的同时，对产品的集成度要求也越来越高，很多时候需要将以往由多个产品联合实现的功能集中在一个产品中实现且不能带来体积增加。

以传统射频模块为例，为了方便上层系统的快速拆装及功能扩展，模块通常都是采用标准的外形结构和对外接口，根据不同功能需求可在其内部通过螺钉安装多种不同功能的射频组件。这些组件大都采用混合集成工艺，整体由金属盒体独立封装而成，体积重量大、功能单一，组件的接口多为SMA、SMP等形式，各个组件间通过射频电缆及导线实现射频信号及控制信号的互连，同时还需要通过射频电缆及导线实现模块内部组件与模块对外接口的连接。受模块内射频组件的安装方式及体积所限，同时由于大量互联电缆的存在导致模块集成度无法进一步提升，且存在装配难度大、工艺复杂、通道一致性难以保障等问题。典型电缆互联模块及其内部组件接口形态如图1所示。

随着基于BGA接口的SiP封装技术日趋成熟[1]，射频组件逐步由基于金属盒体封装的形式向SiP封装形式转变，“SiP+射频母板”的SoP级产品实现方式应用范围越来越广。通过射频母板可以实现各SiP之间的射频及数字信号互联[2]，同时在模块整体结构设计方面可以通过减少模块接口与母板间的互联电缆甚至去除电缆，就可实现模块集成度的极大提升。

对于射频母板要实现其内部射频信号对外输出就需要采用表贴射频连接器进行转接[3]，射频母板内带状线到表贴射频连接器同轴结构之间的过渡匹配直接影响信号的传输质量，特别是在毫米波频段，过渡匹配好坏对信号传输质量有严重影响。射频SiP、表贴射频连接器及射頻母板间的互联示意如图2所示。

在模块内部通过采用“SiP+射频母板”的方式可以有效减少传统组件以及组件间互联射频电缆的使用。在此基础上如何进一步提高模块集成度，更高效利用模块内部空间，减少射频电缆甚至采用无缆化方式实现内部射频母板与模块接口之间的互联，这对模块的结构设计提出了较高要求。

1  表贴连接器高频匹配研究

目前微波产品中表贴射频连接器与射频母板之间的过渡匹配结构主要有两种方式：穿透式和平贴式，如图3所示。

在图3（a）中，表贴射频连接器内导体穿过射频母板的垂直过渡通孔，并在背面进行锡焊焊接，这种过渡结构易于加工和制造，焊接可靠性高。但连接器中间射频插针采用锡焊焊接，连接处阻抗不连续性增大，高频传输性能差，毫米波频段驻波会发生严重恶化。而且整体为开放结构，在高频段会引起空间电磁辐射，使得通道间的隔离及电磁兼容性能较差。

在图3（b）中，表贴射频连接器内导体与射频母板的实心垂直过渡通孔采用纯表贴焊接，这种过渡结构解决了图3（a）中通道隔离不足、整体电磁兼容性能较差的问题。但是连接器内导体与母板内垂直过渡过孔焊盘接触面积较小，焊接可靠性不足。另外母板内带状线在垂直过渡处与带状线的GND2地平面间存在较大的并联寄生平板电容，该电容恰好与垂直过渡过孔寄生串联电感形成一个等效LC低通滤波器结构，使得毫米波频段信号传输质量差，不满足毫米波高性能传输要求，应用局限较大。

为提升表贴射频连接器与射频母板在毫米波频段的信号传输质量，本文结合图3两种传输结构的优缺点，研究了一种能在毫米波频段实现良好匹配传输、不存在空间辐射同时具有较高可靠性的过渡匹配结构[4]。如图4所示，在射频母板中设计过渡盲孔，该盲孔从母板顶部延伸到带状线的位置，并对孔壁做金属化处理。将连接器内导体增长贯穿到母板与带状线相连接的垂直过渡盲孔中，同时连接器的外导体与母板表层地平面进行连接。通过上述改进成倍增加了连接器内导体的焊接面积提升了其使用可靠性。同时由于是盲孔结构，不存在空间电磁辐射导致通道隔离度低的问题。

图4中地平面GND1层中阴影部分为金属，中间圆环处为焊盘，焊盘中间通过金属化垂直过渡盲孔与带状线连接，其余空白部分为露出的介质。带状线层与金属化垂直过渡盲孔连接位置设计匹配结构，以改善带状线与盲孔之间的阻抗不连续性。地平面GND2层垂直过渡盲孔正下方增加开孔，以减小等效寄生平板电容，提高毫米波频段信号传输质量。地平面GND3层为完整地平面，与垂直过渡盲孔周围的两圈接地过孔形成完整屏蔽结构，以减小电磁辐射。通过对GND1层介质避让尺寸、带状线匹配节尺寸以及GND2层开孔尺寸进行调谐优化，最终使得整个过渡匹配结构在0.5 GHz～40 GHz范围内传输驻波均优于20 dB，仿真模型及结果如图5所示。

2  无缆化射频模块研究

对于标准模块而言其对外接口和内部射频母板上表贴射频连接器接口成垂直关系，需要通过大量的射频电缆进行转接互联，如图6所示。在射频母板设计布局时需要充分考虑对外互联电缆的走线及布局要求，射频电缆直径一般都比较粗，国内目前做的比较成熟的射频电缆直径最小也有1.3 mm左右。同时为了保证驻波、相位的传输效果良好以及长期使用的可靠性，射频电缆对最小转弯半径有严格控制要求，需要在母板表面预留充足电缆布线空间。这也就导致无法在射频母板上实现SiP最大化高密度安装。而且电缆制作过程中主要依靠手工进行操作，通道一致性难以保证，电缆装配在模块中除了点胶外，没有更好的机械固定方式，振动时容易产生相位偏差、驻波恶化等问题，甚至还会发生松脱[5]。

为减少电缆使用，提高模块集成度，同时提高装配一致性和振动可靠性，本文基于“SiP+射频母板+表贴射频连接器”的方式提出了一种无缆化的通用射频模块结构设计方案，整体通过高集成弯式射频转接器实现母板上表贴射频连接器与模块接口的盲插互联，去除了大量互联电缆的使用。同时可采用双层母板布局，极大提升了设计灵活性和产品集成度。

2.1  集成弯式射频转接器设计

集成弯式射频转接器作为连接射频母板与模块标准接口的桥梁，是实现模块无缆化设计的关键组成部分。首先根据正面射频母板上SiP的最大高度以及空间最大化利用原则确定正面母板在模块内的安装高度，并以此确定出模块的中间骨架位置作为母板的基准安装台。

将射频母板上表贴射频连接器集中放置在母板边缘靠近模块接口一侧，并严格按照模块接口的阵列排布方式及间距对母板上表贴射频连接器进行相应的阵列排布。此时模块接口和射频母板上的表贴射频连接器之间形成了一套互相垂直且一一对应的接口阵列，如图7所示。该接口阵列在空间上由内外两排构成，在其中间通过两组90°弯式射频KK头就可以实现接口阵列两端的信号联通。对于所需的两组90°弯式射频KK头其长边及短边尺寸需与接口阵列的内外排垂直连接边的尺寸保持一致。然后再通过结构件将两组90°弯式射频KK头固定形成一个高度集成的弯式射频转接器构件即可。

通过集成弯式射频转接器可实现母板垂直接口与模块水平接口的一次性对插，再通过螺钉将正面母板与基准安装台固定即可。

2.2  双层母板对插板间距设计

对于复杂功能的模块设计单纯依靠正面母板无法实现全部功能要求，因此需要采用双层母板堆叠的方式进一步提高内部集成度，两层母板之间通过表贴射频连接器和直式射频KK头完成信号互通，如图8所示。

在理想状态下正面射频母板和背面射频母板上对应的表贴射频连接器中心轴应完全重合，直式射频KK头装进去后应处于完全竖直状态。但实际生产过程中，表贴射频连接器在射频母板上焊接时存在一定的偏差，同时上下两层射频母板在模块盒体上装配时也存在一定的偏差，这就导致实际中上下两个表贴射频连接器中心轴会有一定的位移偏差X。直式射频KK头装进去后处于倾斜状态，KK头中轴线与表贴座中轴线在空间上会形成一个偏转夹角α。

在高集成射频互联方面，常用的表贴射频连接器及射频KK头端面型号为SSMP，为确保长期的使用可靠性，针对射頻KK头连接器厂家一般会推荐一个实际应用中所允许的最大偏转夹角α。射频KK头的对插部位为弹性接触片，超过允许角度后虽然也可以进行装配，且射频KK头的弹性部位会产生较大变形，随着时间推移会慢慢发生塑性变形，KK头弹力逐步消失导致射频接地不良，影响传输质量。更有甚者在装配阶段就会发生射频KK头损坏的情况。结合大量的工程实践，SSMP型KK头在实际应用中所允许的偏转夹具α建议≤2°。

因此对于双层母板设计方案，在对板间距L进行确定时，首先要根据射频母板上表贴座的最大焊接误差以及母板装配的最大误差累加得到相应射频表贴座在极限情况下的位移偏差X，然后根据射频KK头装配时允许的最大偏转夹角α对板间距L进行计算，具体如式（1）所示。

L = X / tanα                          （1）

根据式（1）所计算出的板间距L表示允许的最小值，实际产品设计时不能小于该值。部分场合为了节约空间减少板间距，就需减小表贴射频连接器在射频母板上的装配误差，同时通过设计销钉等方式减小上下两层射频母板在模块盒体上的装配偏差。

2.3  射频母板固定方式确定

对于基于射频母板的无缆化模块而言，其上边布局的均是基于BGA接口的SiP器件，在振动环境下母板的翘曲变形很容易造成BGA顶角焊球开裂[6]。因此需要通过仿真分析合理设计母板固定螺钉布局，提高整体刚性，才能确保使用安全性。针对常用的2.5 mm厚多层介质母板，本文通过仿真分析及实物验证的方式对模块内母板紧固螺钉的布局进行了分析研究，结果表明当螺钉布局采用50 mm×

70 mm的矩形阵列排布方式时可实现母板上SiP的紧密排布，同时能够满足高强度振动要求。针对不同集成度产品实现需求可根据具体的电路布局对紧固螺钉的位置进行适当调整，当有较大调整或表面SiP过于集中时可以通过设置加强筋的方式提高整体刚度，防止振动翘曲。

3  实物测试及结果分析

为验证本文所研究的表贴射频连接器高频匹配的实际传输效果，按照图5的仿真结构加工了多组实物样件并进行了测试分析，结果如图9所示。从图9可以看出采用本文所研究的高频匹配结构加工的实物在0.5 GHz～40 GHz范围内测试其驻波均优于2，插损曲线没有出现突然恶化等问题，说明该过渡结构在全频段的匹配均比较理想，能够满足毫米波使用需求。

基于所研究的表贴射频连接器匹配结构与集成弯式射频转接器结合，最终完成的无缆化射频ASSAC标准模块设计方案如图10所示。该模块采用全盲插互联，正面母板固定在微波盒体顶部，并通过集成弯式射频转接器实现与模块接口的连接，背面小母板安装于模块盒体另一边，两层母板之间通过直式射频KK头实现垂直互联，整个模块结构紧凑装配方便。

4  结  论

本文针对传统射频模块集成度低、装配难度大、工艺复杂、通道指标一致性难以保障等问题，研究了一种基于表贴射频连接器的无缆化模块结构。同时针对表贴射频连接器的高频匹配过渡结构进行了仿真分析以及实物验证，该匹配结构很好解决了毫米波频段射频母板与表贴射频连接器的传输反射系数大、射频插针焊接可靠性不足等问题，已在工程实践进行了广泛应用。

本文所研究的无缆化射频模块结构方案有效解决了工程实际中电缆装配复杂、固定困难、占用空间大、集成度无法进一步提升等问题。采用该结构方案通过不同功能SiP组合以及母板内的走线的设计可实现不同功能的模块需求，整体结构复用性强，功能派生方便，具有很高的实用价值。

参考文献：

[1] 李阳阳，张晏铭，张继帆，等.宽带射频SiP集成工艺IP建模仿真技术及应用 [J].中国电子科学研究院學报，2021，16（5）：419-425.

[2] 余昌喜，笪余生，林玉敏，等.基于多层PCB的基板射频信号传输性能研究 [J].空间电子技术，2022，19（6）：69-74.

[3] 青春，李凯，李海峰，等.基于有限元法的SMP射频连接器PCB接口性能研究 [J].机电元件，2021，41（1）：3-6+18.

[4] 杜明.带状线组件与射频连接器的键合过渡结构 [J].电波科学学报，2023，38（1）：137-141.

[5] 刘振，张瑞江.射频电缆的幅相稳定性测试研究 [J].数字通信世界，2021（4）：9-11+40.

[6] 唐修卿，张剑，徐标，等.正弦振动下PCBA翘曲对BGA焊点疲劳寿命的影响 [J].电子产品可靠性与环境试验，2021，39（3）：1-5.

作者简介：廖翱（1983.10—），男，汉族，四川资阳人，高工，硕士，研究方向：微波电路小型化及SIP封装，高性能小型化微波滤波器。