5G 通信中对高频连接器的需求

连接设备数量的增长，使得高带宽互联网访问的需求量增加，推动了 5G 的部署。5G 的频带延伸至毫米波频谱，使得射频连接器的电气、机械和环境特性对于整体性能更加重要。在 5G 问世的推动下，为应对不断变化的市场需求，Johnson 一直在积极推出多款支持更高频率和更小尺寸的新产品。

5G 已来

5G 已来，运营商宣布计划在 2018 年底试用和推出服务，并计划于 2020 年开始全面铺设 5G 网络。业界正在为此次发布做准备，高通等设备制造商发布 5G 调制解调器 (Snapdragon)，测试设备制造商更新其产品组合，华为、诺基亚和爱立信等多家公司致力于开发 MIMO 功能所需的 5G 天线和波束成形技术。在 5G 技术的各个领域中，射频连接器无处不在，由于毫米波频率的需求，因此制造精度至关重要。蜂窝网络无处不在的特性也为此类连接器的成本带来了下行压力，此前，这些连接器的用途仅限于军事和航空航天领域。Johnson 连接器 50 多年来一直处于射频应用的最前沿，并支持前几代无线网络。本文中，我们将探讨 5G、它对连接器技术的要求、以及 Johnson 如何通过推出新产品来应对。

随着越来越多的设备需要接入高带宽的互联网，对现有的网络带来压力，推动了 5G 的部署。5G 使用的频段范围低至 1GHz 以下，高至 26GHz 及以上，从而解决了该问题。5G 使用的总带宽将大大超过 4G 和以前无线网络技术使用的频谱量。

5G 频谱分配

频谱的分配由每三到四年召开一次的世界无线电通信大会决定。WRC-19 将于 10 月 29 日至 2019年11月19日在埃及沙姆沙伊赫举行，与此同时，5G 频谱的商定工作正在进行中，预计载波频率为 24 GHz、28 GHz 和 38 GHz。这些频率下的延迟将极低，小于 ITU-R 规范 M.2083 [16] 目标的 1 ms（图 1）。

根据规范，预计 5G 宽带连接的下行链路速度可达 20 Gbps，延迟低至 1 ms。由于 5G 指定使用更高频率的带宽，因此还将使通过无线系统传输的数据量发生阶跃式增长。

图 1：5G 技术要求（来源：GSMA）

来源： https://www.gsma.com/futurenetworks/wp-content/uploads/2018/04/Road-to-5G-Introduction-and-Migration_FINAL.pdf

用例与海量物联网

电信行业已开始将其称为海量物联网 (MIoT)，而 ITU-R IMT-2020 (5G) 包括三类主要用例：增强型移动宽带 (eMBB)、大规模机器类型通信 (mMTC) 和低时延高可靠通信 (URLLC)。分配给 5G 网络的频谱将分为 3 个频段，该频段与用例类别保持一致，如图 2 所示。

每个用例类别的 5G 要求和增强型网络管理特点（包括网络切片）均不同，从而使运营商可根据应用提供量身定制的服务。例如，自动驾驶汽车将需要通过极快、低延迟的连接为实时导航提供支持。另一方面，许多物联网传感器以周期性的突发方式传输数据，不需要高速，因此适用较低等级的服务。

图 2：5G Spectrum Bands allocated to 5G use cases (Source Huawei)

分配给 5G 的频率更高，加之其对应较短波长，可使用较小型天线，允许通过大规模 MIMO 技术增加无线连接容量，且无需更多频谱。虽然这意味着需要更多 5G 基站提供预期覆盖范围，但它们将在每个基站内使用多个天线，使 5G 每米支持的设备数量比 4G 多 1,000 多个。与之相应的是，5G 网络将能够以高精度和低延迟将超高速数据传输至更多用户，从而满足新兴无线应用（如 MIoT）日益增长的数据需求。

毫米波区域

为频谱的毫米波区域设计射频设备，这带来了大量的机遇和挑战。如上所述，频率越高，每个基站使用的天线尺寸越小和数量越多。纳米 CMOS 等技术的发展，大幅缩小许多连接至 5G 网络的设备（例如物联网传感器）的尺寸，并提高天线密度。这导致基站元件的尺寸相应减小。更高速、更高带宽、更大密度和更小尺寸的趋势，对连接器技术提出了特定要求，毫米波频率下的连接器技术对于任何电气设备或系统都变得越来越重要。

射频连接器必须能将电磁能量从一条传输线传输至另一条传输线，同时确保最小的损耗和反射，因此其设计精度至关重要。

5G RF Connector Design Considerations

在更高频率、更小尺寸、独特接口和更优性能的推动下，射频连接器设计必须满足基于几何形状、尺寸和传输特性的限制，同时确保连接器阻抗与传输线路的其余部分匹配。随着频率的增加，保持阻抗变得更加复杂；射频连接器的电气、机械和环境特性在确保其性能方面都发挥着至关重要的作用。

关键电气特性包括阻抗（通常为 50 欧姆）、VSWR、PIM、（无源互调失真）和最大频率。VSWR 特别重要，因为它决定了有多少电磁波会被连接器反射，从而导致信号损失。VSWR 将随频率而变化，但在给定频率范围内（例如 1.3:1 至 40 GHz）可能会保持为平缓的数值。

啮合/分离力、耦合螺母扭矩、接触俘获和耐用性（配接周期数）等机械特性对于保证连接的稳定性同样重要。由于未对准而导致异常连接间隙，可能导致连接的电气特性发生剧烈变化（图 3）。

图 3：射频连接器校准

最后，工作温度范围、湿度和耐腐蚀性等环境特性必须匹配连接器的部署条件。

5G 连接器解决方案

由于 5G 网络的密度趋势，连接器尺寸成为一项重要参数。4.2 mm SMA 连接器在射频实施中应用良好，现在随着频率的增加和模块尺寸的缩小，超小型变体变得越来越普遍。表 1 所示为部分当前使用的主要连接器类型。5G 应用的设计将需要各种类型的高频连接器和转接头，并扩展到转接头、多端口组合解决方案和电缆组件。

凭借 50 多年的行业经验，Johnson 射频连接器覆盖范围的全面性在全球市场排名前列，并且一直在利用其经验和资源开发和扩展其产品范围，以满足不断变化的 5G 市场需求。Johnson 范围广泛的 50 欧姆 SMA 连接器的额定频率高达 26.5 GHz，采用黄铜或不锈钢材质，支持多种配置，包括 PC 板材安装（通孔和表面贴装）、端接、穿板式法兰安装和电缆。

在 5G 问世的推动下，为应对不断变化的市场需求，Johnson 一直在积极推出多款支持更高频率和更小尺寸的新产品，包括：

Johnson 在美国和中国均设有销售、设计和制造中心，非常适合支持新兴 5G 市场的需求，并将继续投资于其产品组合，为 5G 网络的新兴需求提供支持。

类型	产品描述	尺寸	频率	拧紧方法
SMA	半精密超小型射频和微波连接器，广泛用于频率高达 18 GHz 甚至更高频段的场合。该连接器形式多样，包括公头、母头、直头、直角、穿板式接头，可满足大多数要求。	4.2 mm	DC – 18 GHz，(26.5 GHz)	螺纹
2.92 mm（K 型）	SMA 上变体的尺寸更小，工作频率更高	2.92mm	DC - 46 GHz	螺纹
2.4mm	SMA 上变体的尺寸更小，工作频率更高	2.4mm	DC - 50 GHz	螺纹
1.85 mm（V 型）	SMA 上变体的尺寸更小，工作频率更高	1.85mm	DC - 67 GHz	螺纹
SMP	微型推入式连接器，内部含母头转母头组件（称为子弹）和两个称为护罩的外部面板、电路或电缆安装插座。与螺纹连接器不同的是，在插配过程中允许少量径向错位。应用包括天线、宽带和仪器仪表	3.0 mm	DC - 40 GHz	推进式
SMPM	该连接器较SMP小 30％ 以上，为需要空间和封装密度的非常高频的应用而设计。其应用包括下一代相控阵、高速半导体测试、客户特定开发	2.4mm	DC - 65 GHz	推入式和插扣式插配方式

表 1：射频连接器类型与特性示例