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第四講 通信連接器應(yīng)用案例

發(fā)布時間:2011-02-16

中心議題:FCI內(nèi)容贊助

  • 通信連接器的兩種類型
  • 通信連接器的發(fā)展變化
  • 連接器在有線系統(tǒng)中的應(yīng)用
  • 連接器在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用
  • 連接器的信號完整性設(shè)計

本講從通信連接器的兩種主要產(chǎn)品類型(光纖連接器和電連接器件)入手,介紹了通信連接器產(chǎn)品的發(fā)展變化,透過通信連接器在有線系統(tǒng)和在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用實例,解答工程師在通信連接器應(yīng)用方面的難題,最后介紹了通信連接器的模型分析情況,并給出了通信連接器有關(guān)信號完整性的幾點(diǎn)建議。

通信連接器屬于網(wǎng)絡(luò)傳輸介質(zhì)互聯(lián)設(shè)備,所采用的連接器性能可能影響整個通信系統(tǒng)。目前,通信連接器產(chǎn)品的型號和標(biāo)準(zhǔn)很多,其中主要包括光纖連接器和電連接器件。隨著應(yīng)用對象、頻率、功率和應(yīng)用環(huán)境等的不同,需要各種不同形式的通信連接器。在進(jìn)行通信連接器的選擇時,應(yīng)根據(jù)自己的實際情況,選擇適用的連接器:需要熟悉和了解各種連接器的性能,考慮網(wǎng)絡(luò)向高速網(wǎng)絡(luò)升級時的建設(shè)成本和硬件升級等問題,提出接口要求;并綜合考慮連接器的性能、價格和發(fā)展。

在光纖通信鏈路中,為了實現(xiàn)不同模塊。設(shè)備和系統(tǒng)之間靈活連接的需要,必須有一種能在光纖與光纖之間進(jìn)行可拆卸(活動)連接的器件,使光路能按所需的通道進(jìn)行傳輸,以實現(xiàn)和完成預(yù)定或期望的目的和要求,能實現(xiàn)這種功能的器件就叫光纖連接器。光纖連接器就是把光纖的兩個端面精密對接起來,以使發(fā)射光纖輸出的光能量能最大限度地耦合到接收光纖中去,并使由于其介入光鏈路而對系統(tǒng)造成的影響減到最小。在一定程度上,光纖連接器也影響了光傳輸系統(tǒng)的可靠性和各項性能。

詳細(xì)的光纖連接器了解,請參考光纖連接器原理分類及應(yīng)用

通信中的電連接器使電流在電路內(nèi)被阻斷處或孤立不通的電路可以流通,使電路實現(xiàn)預(yù)定的功能。有些連接器被做成普通插座的形式,在線纜工業(yè)中得到廣泛認(rèn)可和使用。通信網(wǎng)絡(luò)的連接往往取決于所用的媒體,所以,通常是按不同的連接介質(zhì)、連接方式和應(yīng)用場合來討論連接器的,通常包括多線電纜連接器、雙絞線連接器和同軸電纜連接器。其中多線電纜連接器包括DB連接器和DIX連接器以及DIN連接器等;雙絞線連接包括RJ45和RJ11;同軸電纜連接器包括T連接頭和BNC連接器及終端電阻。而其中廣泛應(yīng)用的射頻同軸連接器從連接類型來分又分為螺紋連接型、卡口連接型和直插推連接型。

詳細(xì)的通信中電連接器了解,請參考通信電連接器的分類及應(yīng)用

無論是光纖連接器還是電連接器件,都在不斷向前發(fā)展,下面是對這兩種通信連接器發(fā)展情況的一個小結(jié)。

通信連接器的發(fā)展變化

受我國通信產(chǎn)業(yè)快速增長的影響,射頻連接器市場出現(xiàn)了前所未有的發(fā)展勢頭。隨著電信行業(yè)的發(fā)展,從最初只是語音的應(yīng)用,發(fā)展到現(xiàn)在有了移動互聯(lián)網(wǎng)和移動電視等應(yīng)用,對數(shù)據(jù)傳輸率的要求越來越高。為了傳輸更高的速率,光纖開始替代傳統(tǒng)的銅纜,尤其是在RRH方面開始采用光纖進(jìn)行連接,不僅大大提高了長距離大容量的傳輸速率,同時成本相對銅軸電纜也會降低。隨著光纖在通信基礎(chǔ)設(shè)施的應(yīng)用,光纖連接器的需求逐步增加。

伴隨著無線通訊技術(shù)的不斷發(fā)展,“板對板”同軸連接器在無線系統(tǒng)模塊互聯(lián)中的應(yīng)用越來越廣泛,如:通信基站、RRH、直放站、GPS設(shè)備以及其它類似應(yīng)用等。最初,射頻模塊板間主要依靠電纜組件進(jìn)行連接,但是,隨著產(chǎn)品小型化,部件之間的連接越來越緊湊,電纜組件已無法滿足要求,板對板連接器因此應(yīng)運(yùn)而出,同時從有限容差向大容差方向發(fā)展。

在電子互連元器件領(lǐng)域,金屬是非再生的原材料,而合成材料可以循環(huán)使用,在大量生產(chǎn)時合成材料比金屬材料更具成本優(yōu)勢。合成材料相對金屬重量大幅降低,對設(shè)備廠商來說,重量減輕,運(yùn)輸成本也相應(yīng)降低。另外,合成材料在抗腐蝕性方面的性能也非常好,相比金屬材料更能適應(yīng)嚴(yán)苛的室外環(huán)境。通信連接器對合成材料的采用可能成為一個趨勢。

隨著近兩年外資企業(yè)也開始將研發(fā)基地逐步向中國遷移,中國將成為電信業(yè)最核心的市場。下面針對其中的通信市場,分別列舉出連接器在有線系統(tǒng)和在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用實例。

連接器在有線系統(tǒng)中的應(yīng)用

                            PSTN網(wǎng)交換機(jī)
                                                                            圖1 PSTN網(wǎng)交換機(jī)

圖1所示為一個PSTN網(wǎng)的交換機(jī),該交換機(jī)由7個部分組成。除了機(jī)箱尺寸的區(qū)別,機(jī)箱底部是一個機(jī)架的管理模塊,它包括管理模塊、傳輸背板和傳輸模塊。最前面有子板、載板、電源板,以及風(fēng)冷系統(tǒng)、電扇托板。在交換機(jī)中,它的主要載板就是電話信息的傳輸以及輸入/輸出的連接,輸入/輸出系統(tǒng)所組成的只有很少的電腦板以及信令控制板。
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任何網(wǎng)絡(luò)都需要連通性,以便把單個設(shè)備組合成一個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)?,F(xiàn)今網(wǎng)絡(luò)中,連接器扮演重要角色:首先,它能把單個設(shè)備進(jìn)行電連接,形成更大的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng);另一方面,如今都采用標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián),使不同公司制造的設(shè)備能相互連接在一起工作,從而在某個街區(qū)構(gòu)建成一個網(wǎng)絡(luò),以滿足商業(yè)或社區(qū)的需求。

因此,在有線通信系統(tǒng)中,連接器的作用主要有三個方面:首先,能在單個設(shè)備內(nèi)的電路板和單個電元件間實現(xiàn)電連接;第二,如果采用標(biāo)準(zhǔn)化的互聯(lián),就能使不同公司制造的設(shè)備相互連接在一起工作,從而在某個街區(qū)構(gòu)建成一個網(wǎng)絡(luò),以滿足商業(yè)或社區(qū)的需求;第三,通過設(shè)計達(dá)到可靠的功能,以承受已知的工作環(huán)境和設(shè)備服務(wù)期內(nèi)的工作強(qiáng)度。

針對有線通信系統(tǒng)對連接器的要求,在設(shè)計時要考慮如下幾個方面:
• 鍍金接觸界面,用于保證更高的耐磨性和良好的電特性;
• 冗余的接觸界面,保證高可靠性;
• 可選擇氣密性連接或PCB焊接;
• 殼體外部特征要便于插入時導(dǎo)正和導(dǎo)向;
• 用不同的插針高度保證信號和接地的先后連接順序;
• 大功率電源要用特殊的端子,和信號的接觸端子要有所區(qū)別;
• 要保證EMI特性和機(jī)箱接地。

                                 連接系統(tǒng)中典型的背板連接器的設(shè)計
                                                                      圖2 連接系統(tǒng)中典型的背板連接器的設(shè)計

圖2是典型的連接系統(tǒng)中背板連接器的設(shè)計。它可以提供三種端子長度,即接地端子、信號1端子、信號2端子三個端子的長度是不同的。這是為了保證插座和插針在互相連接的時候,如果接反了,就無法插入。第二個是中間部分,它是用于安裝維修用的,整個插針板在插入的過程中,可以用來導(dǎo)向,甚至可以保證編碼和極性的正確。外壁用來保護(hù)端子和連接器的導(dǎo)向,這個端子就是插針部分,采用柔性插針。從右半部分圖中可以看到,外殼被拆除后,更清楚地顯示出了接觸面。它采用了雙柱冗余的接觸面設(shè)計,這樣可以大大提高接觸的可靠性。

連接器在無線通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

                           典型的無線通信系統(tǒng)的基站內(nèi)部互聯(lián)
                                                                    圖3 典型的無線通信系統(tǒng)的基站內(nèi)部互聯(lián)

圖 3表示的是典型的無線通信系統(tǒng)的基站內(nèi)部互聯(lián),以及它所需要的各種各樣的電子連接器。從圖中可以看出,左邊基站所要求的都是射頻連接器,右邊表示的是電源連接器、背板連接器、輸入/輸出連接器和印制電路板連接器。


                           基站控制器、移動交換網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)之間的典型互聯(lián)
                                           圖4 基站控制器、移動交換網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)之間的典型互聯(lián)
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圖4表示的是基站控制器、移動交換網(wǎng)絡(luò)和網(wǎng)關(guān)支持節(jié)點(diǎn)之間的典型互聯(lián)。這些互聯(lián)也用到了多種連接器。

移動手機(jī)用的開關(guān)式同軸連接器主要用于提供手機(jī)內(nèi)的天線和汽車外部天線之間的信號的切換。這種開關(guān)式的連接器,它的表面安裝有三種高度,分別是3.5mm、4.5mm和6.0mm。表面安裝開關(guān)式連接器直接和手機(jī)天線連接。由于功率元件和天線或開關(guān)間距離短,因此內(nèi)部沒有電纜,信號傳輸非常好。它的性能指標(biāo)如下:

• 工作頻率:高達(dá)2.4GHz
• 標(biāo)準(zhǔn)阻抗:50歐姆
• VSWR:1GHz時為1.15:1;2GHz時小于1.20:1
• 插入損耗:2GHz時最大為-0.30dB
• 使用壽命:30,000 次
• 溫度范圍:-40℃到+85℃

無線通信系統(tǒng)中所采用的電源連接器(圖5)的種類包括一體化背板電源系統(tǒng)、子板/堆疊用連接器、信號母線到板之間的連接器、板到板的電源連接器、電源到電纜/電纜到印刷板連接器、微處理器所用電源連接器以及電源輸入所用連接器。
 
                        無線通信系統(tǒng)的電源連接器
                                                                    圖5 無線通信系統(tǒng)的電源連接器

通信連接器無論是在有線系統(tǒng)和還是在無線通信系統(tǒng)的應(yīng)用中,其連接器的信號完整性都顯得非常重要,下面是有關(guān)連接器信號完整性的相關(guān)介紹。

連接器的信號完整性設(shè)計

連接器在進(jìn)行信號完整性設(shè)計時,需要考慮:1、與整個互聯(lián)傳輸線阻抗的連續(xù)性;2、連接器各插針間的串?dāng)_;3、有時序要求,要考慮連接器上的延時。連接器的分析方法與一般的信號分析方法基本一樣,都是利用仿真軟件進(jìn)行仿真,并對結(jié)果進(jìn)行分析,得出結(jié)論。

連接器的模型分析和電路的模型分析是一樣的,只是要注意連接器和過孔效應(yīng)的精確建模、仿真對于預(yù)測信號質(zhì)量非常重要。

模型分析有五種情況:

• 多線模型 (MLM): 適用于多插針連接器,包括接觸元件、接觸與接觸間耦合、接觸和屏蔽間耦合、焊盤間耦合等。除了SLM模擬的參數(shù)外,還能用來模擬串?dāng)_和地彈等。

• 單線模型 (SLM): 適用于連接器中的單線,如高速信號傳輸線,可以用來模擬反射、時延和偏移、衰減以及信號傳輸質(zhì)量。

• S參數(shù)模型:主要應(yīng)用于頻域,可模擬吞吐量和串?dāng)_,通過時域變換,可產(chǎn)生阻抗、串?dāng)_、傳輸時延和眼圖等。

• IBIS模型:是一種基于V/I曲線的對I/O BUFFER快速準(zhǔn)確建模的方法,支持所有類型的連接器和多種不同連接器建模,如差分和不平衡信令、SLM(無耦合)、MLM(耦合)、模型級聯(lián)、板到板以及板到電纜等。

• SPICE模型:是最為普遍的電路級模擬程序,被分析的電路中的元件可包括電阻、電容、電感、互感、獨(dú)立電壓源、獨(dú)立電流源、各種線性受控源、傳輸線以及有源半導(dǎo)體器件。

信號完整性是貫穿于高速數(shù)字電路設(shè)計中的最重要的問題之一,在此列出幾點(diǎn)建議:

• 對靈敏元件實施對噪聲器件的物理隔離;
• 阻抗控制、反射和信號終端匹配;
• 用連續(xù)的電源和地平面層;
• 布線中盡量避免采用直角;
• 差分對布線長度要相等,以保證在接收端良好的抑制比;
• 高速電路設(shè)計中應(yīng)考慮串?dāng)_問題,包括近端串?dāng)_和遠(yuǎn)端串?dāng)_;
• 電源退耦問題,也就是說加在電路上的電源一定要通過電感電容的退耦。
 

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