Новейшие достижения компании SV Microwave/Amphenol в области радиочастотных соединений

О компании SV Microwave/Amphenol

Радиочастотные соединители с интерфейсом SMPM, рассмотренные в данной статье, созданы компанией SV Microwave. Эта компания является мировым лидером в области СВЧ-микроэлектроники, имеющим более чем 50-летний опыт работы по созданию радиочастотных соединителей, кабельных сборок и различных пассивных компонентов, предназначенных для военных систем, Интернета вещей, 5G, спутниковых, высокоскоростных, аэрокосмических, коммерческих и телекоммуникационных приложений. В мае 2005 года SV Microwave была приобретена крупной корпорацией Amphenol, и с тех пор её называют SV Microwave/Amphenol.

Разработка соединителей SMPM с предельной частотой 65 ГГц для работы при повышенных вибрационных и ударных нагрузках

Стандартные соединители SMPM

В 1990 году компания Corning Gilbert, США, разработала микроминиатюрные, соединяемые защёлкиванием, соединители GPPO с предельной частотой 65 ГГц. Сегодня эти соединители выпускают десятки компаний всего мира под собственными фирменными названиями: SMPM, MINI-SMP и др. (далее – SMPM – «sub-miniature push-on, micro»). Разработаны соединители SMPM с полным и ограниченным защёлкиванием и скользящим соединением вилки и розетки. Интерфейс соединителей SMPM соответствует стандарту MIL-STD-348A (см. рис. 1) [1].

Разработаны следующие модификации соединителей SMPM [1]:

• прямые и угловые кабельные и приборно-кабельные соединители, предназначенные для работы с полужёстким кабелем 0,085" (RG-405) и 0,047", а также с гибким и формуемым вручную кабелем;
• приборные вилки, монтируемые в стенки корпусов изделий из алюминиевых и титановых сплавов: впаиваемые, под лазерную сварку, резьбовые и запрессовываемые в корпуса; 
• вилки для установки в отверстия печатных плат, для поверхностного монтажа на платы и концевые;
• адаптеры розетка-розетка, называемые «bullet», для соединения «вслепую», обеспечивающие гибкую связь между вилками, установленными на разных платах, и позволяющие компенсировать несоосность между вилками на соединяемых платах. Длина выпускаемых адаптеров «bullet» зависит от требуемого расстояния между платами;
• междусерийные адаптеры для совместимости с соединителями других типов: SMA, 3,5 мм, 2,92 мм, 2,4 мм и 1,85 мм.

Внешний вид соединителей SMPM основных модификаций показан на рис. 2, а их основные параметры приведены в табл. 1 [1, 2].

Примечания:
1. Величины КСВН, потерь и экранного затухания, приведённые в data sheet разных производителей соединителей SMPM, заметно отличаются. Более подробно электрические параметры соединителей SMPM рассмотрены в работах [1, 2].
2. В спецификациях часто приводят значение напряжения соединителя без уточнения его вида. Имеются 3 вида напряжения соединителя: напряжение пробоя (Breakdown Voltage), испытательное напряжение (DWV – Dielectric Withstanding Voltage) и максимальное рабочее напряжение (Working Voltage). Напряжение пробоя – это максимальное напряжение, которое может выдержать соединитель без значительного возрастания тока утечки и разрушения. Испытательное напряжение – это максимальное напряжение, при котором должен быть протестирован соединитель. Оно составляет 75% от напряжения пробоя соединителя. Рабочее напряжение – максимальное напряжение, при котором соединитель должен работать с заданными параметрами в течение всего срока службы. Рабочее напряжение составляет 1/3 от испытательного напряжения и зависит как от конструкции соединителя, так и от конкретных условий эксплуатации. В частности, при указании рабочего напряжения в спецификации должны быть приведены значения атмосферного давления на уровне моря или на высоте 70 000 футов (21,3 км) и температуры.

Благодаря миниатюрности (вес соединителя составляет десятые доли грамма) и высокому уровню электрических параметров данные соединители нашли применение в сложных многофункциональных модулях СВЧ с высокой плотностью компоновки.

Однако, несмотря на высокий уровень параметров соединителей SMPM, разработчики ответственных бортовых систем опасаются, что соединение защёлкиванием может не выдержать высокие вибрационные и ударные нагрузки. Чтобы повысить надёжность соединителей, ведущие зарубежные компании разработали свои собственные изделия, в которых сочленение вилки и розетки защёлкиванием усилено другими способами соединения (резьбовым, байонетным или вторым защёлкиванием) [3, 4].

Компания SV Microwave/Amphenol в 2019 году также разработала линейку резьбовых соединителей SMPM для работы при повышенной вибрации с высоким уровнем электрических и механических характеристик [5, 6].

Резьбовые соединители SMPM

Так как при воздействии вибрационных и ударных нагрузок надёжность соединения защёлкиванием уступает резьбовому соединению, напрашивалось решение объединить оба эти соединения в конструкции соединителя SMPM. Впервые резьбовое соединение в дополнение к соединению защёлкиванием применила компания Astrolab, разработавшая соединители SMPM-T [1, 3, 4]. В кабельном соединителе-розетке SMPM-T стандартный интерфейс SMPM был дополнен резьбовой втулкой, устанавливаемой на кабель, а приборный соединитель-вилка выполнен с внешней резьбой на корпусе (см. рис. 3).

Соединители SMPM-T отличаются высокой стойкостью к ударам и вибрации, надёжной фиксацией и улучшенной экранировкой (экранное затухание по сравнению с обычными соединителями SMPM выше на 10 дБ). В случае необходимости соединители SMPM-T и SMPM могут без ограничений соединяться друг с другом.

Однако такое конструктивное решение соединителя SMPM-T не универсально, оно возможно только для прямых кабельных соединителей и не­осуществимо для угловых соединителей.

Компания SV Microwave/Amphenol предложила установить резьбовую втулку непосредственно на кабельный соединитель-розетку, а приборную вилку, как и в предыдущем случае, выполнить с наружной резьбой на корпусе. Такое решение универсально, так как применимо как к прямым, так и к угловым соединителям. Резьбовая втулка, изготовленная из нержавеющей стали, имеет следующие размеры: наружный диаметр 4,57 мм, длина приблизительно 6 мм, резьба 0.148-56 UNS (наружный диаметр резьбы 3,76 мм, шаг резьбы 0,45 мм).

Были разработаны 8 модификаций резьбовых соединителей SMPM (см. табл. 2).

В таблице представлены вилки для скользящего соединения с ответной кабельной розеткой (позиции 5 и 6). По заказу потребителя такие вилки могут быть изготовлены для соединения с ответной кабельной розеткой полным защёлкиванием.

Резьбовые кабельные соединители, в которых использовано сочетание скользящего и резьбового соединений, имеют низкие усилия сочленения и расчленения розетки и вилки. Соединители испытывают по стандарту MIL-STD-202, методами 204 и 213. Данные методы используются в испытаниях на воздействие вибрации и ударов для изделий авиационного и космического назначения. Резьбовые соединители SMPM, естественно, стоят дороже стандартных аналогов в 1,2...1,8 раз. При этом наиболее заметно возрастает стоимость резьбовых кабельных соединителей, прямых и угловых.

Соединение печатных плат с применением сверхминиатюрного адаптера «bullet» компании SV Microwave/Amphenol

Соединители SMPM привлекли внимание разработчиков изделий СВЧ-микроэлектроники ещё и потому, что они обеспечивают быстрое соединение печатных плат без применения радиочастотных кабелей с помощью адаптеров розетка-розетка «bullet». Для этого на каждой из соединяемых печатных плат устанавливают соединитель SMPM вилка, а соединение плат производят при помощи адаптера «bullet» с двумя цанговыми центральными проводниками, закреплёнными во фторопластовом изоляторе, установленном в корпусе адаптера (см. рис. 4) [1].

Адаптер «bullet» обеспечивает надёжное соединение и компенсирует радиальную и осевую несоосность до 0,25 мм соединителей SMPM вилка, установленных на печатных платах. Он является ключевым элементом при создании компактного соединения плат и модульных конструкций, так как его длина определяет расстояние между соединяемыми печатными платами. Поэтому для уменьшения расстояния между соединяемыми платами зарубежные компании стремятся максимально уменьшить длину адаптера «bullet» (см. табл. 3) [1, 7, 8].

Рекордсменом в области миниатюризации адаптеров «bullet» является компания SV Microwave/Amphenol [7–9].

В 2017 году эта компания сообщила о создании адаптера «bullet» с длиной корпуса всего 2,48 мм, обеспечивающего соединение плат, отстоящих друг от друга на расстояние 3 мм (мин. 2,88 мм, макс. 3,0 мм), для устройств с высокой плотностью компоновки. Однако, в отличие от стандартных адаптеров «bullet» розетка-розетка, разработанный компанией SV Microwave/Amphenol микроминиатюрный «bullet» является адаптером вилка-вилка. Это обусловлено конструктивной и технологической сложностью создания цанговых контактов розетки при таких малых размерах адаптера.

Конструкция адаптера вилка-вилка показана на рис. 5а [8].

Применение этого адаптера для соединения печатных плат потребовало полностью изменить конструкцию и технологию соединения. Были разработаны корпуса вилок (без изоляторов и цанговых центральных проводников), имитирующие интерфейсы полного защёлкивания и скользящего соединения, называемые Shroud: Shroud FD (Full Detend – полное защёлкивание) и Shroud SB (Smooth Bore – скользящее соединение). Корпуса Shroud изготовлены из пассивированной нержавеющей стали и имеют резьбовые отверстия для крепления винтами на печатные платы (см. рис. 5б,в) [7–9].

Shroud для скользящего соединения устанавливают на одной печатной плате, а Shroud для полного защёлкивания – на противоположной. Процесс соединения плат иллюстрируют рис. 6а, 6б.

Для работы с адаптером «bullet» компания SV Microwave/Amphenol разработала специальный инструмент № 500-80-014 (см. рис. 6в). При соединении плат центральный проводник адаптера «bullet» непосредственно контактирует с микрополосковыми линиями печатных плат. Скользящее соединение обеспечивает лёгкое рассоединение плат без применения специального инструмента. Поэтому при рассоединении плат адаптер «bullet» остаётся на плате соединённым с Shroud FD (для полного защёлкивания).

Соединение плат, расстояние между которыми 3 мм, при помощи адаптера «bullet» компании SV Microwave/Amphenol имеет следующие электрические параметры:

• рабочий диапазон частот DC…40 ГГц;
• КСВН в диапазоне частот DC…18 ГГц – 1,10, в диапазоне частот 18...40 ГГц – 1,30; 
• величина вносимых потерь 0,30 дБ на частоте 18 ГГц и 0,60 дБ на частоте 40 ГГц. 

Предложенное соединение обеспечивает указанные электрические параметры при осевом смещении Shroud и адаптера до 0,127 мм и радиальном смещении – до 0,18 мм при минимальном межцентровом расстоянии между соседними соединителями 3,81 мм. Допустимое количество соединений и рассоединений – 500. Рабочий диапазон температур от –65°C до +165°C. Такое соединение не требует операции пайки, и поэтому не повреждает платы и обеспечивает низкие усилия соединения и рассоединения плат.

Соединение плат с минимальным расстоянием между ними (3 мм) идеально подходит для использования в приложениях с высокой плотностью размещения печатных плат.

Заключение

Представленная в данной статье информация о соединителях компании SV Microwave/Amphenol является примером активной работы ведущих зарубежных компаний по совершенствованию радиочастотных соединений. Основная цель этой публикации – показать отечественным разработчикам одно из направлений работ в этой области.

Литература

1. Джуринский К.Б. Современные радиочастотные соединители и помехоподавляющие фильтры / под ред. д.т.н. А.А. Борисова. СПб.: Изд-во ЗАО «Медиа Группа Файнстрит», 2014. 426 с.
2. Microwave Gilbert® Push-on Interconnects – Corning // URL: https://www.corning.com.
3. Джуринский К.Б. Соединители SMP с повышенной устойчивостью к вибрационным и ударным нагрузкам // Электроника НТБ. 2021. № 8.  С. 88–90, 92, 94, 96, 98–100.
4. Weirback A. High density coaxial interconnect solution for space applications requiring high electrical stability. Huber+Suhner Astrolab, Inc. // URL: https://escies.org.
5. New Products | SV Microwave // URL:  https://www.svmicrowave.com. 
6. Threaded SMPM Connectors and Adapters SV Microwave // URL:  https://www.svmicrowave.com.
7. SV’s New 3mm Board-to-Board Interconnect // URL:  https://www.svmicrowave.com. 
8. Amphenol/SV Microwave 3mm Board-to-Board Interconnects // URL:  https://www.mouser.com.
9. Board-to-Board Connectors Product Roundup // URL:  https://connectorsupplier.com.