Mini Coax+ goes UMTS
Im multimedialen Zeitalter mit ständig ansteigenden Datenraten und permanent zunehmender Integration von elektronischen Bauteilen und Komponenten spielen die hochfrequenztechnischen Übertragungseigenschaften wie z. B. Übersprechen, Einfügungsdämpfung, Reflexionsverhalten usw. auch bei elektromechanischen Bauelementen eine immer größere Rolle.
Für jeden zukunfts- und technologieorientierten Bauelemente-Hersteller gehören heute hochqualifiziertes Personal, eine mess- und simulationstechnische Ausrüstung sowie hausinternes Know-how zur Pflichtausstattung, will er sich nicht mit dem schlichten Reproduzieren des Standes der Technik begnügen.
Gerade im Hochfrequenzbereich begleiten ausgefeilte Messtechnik und umfangreiche Simulationstools neue Produkte von der Konzeption über Design-Optimierungen bis zur Einsatzreife in der Kundenapplikation.
HARTING bietet bereits seit längerem einen Mini Coax-Steckverbinder - einen "Blindmate" HF-Leiterplattenverbinder in Einpresstechnik -, der bis weit in den Gigahertz- Bereich hinein sicher funktioniert und gleichzeitig höchsten mechanischen Ansprüchen genügt.
Die Herausforderung
Die Einpresstechnik, deren Vorteile - mechanische Robustheit, leichte Verarbeitbarkeit, zuverlässige Kontaktierung auch ohne Löten - unbestritten sind, kann sich bei Datenübertragungsgeschwindigkeiten, die jenseits der heute geforderten liegen, als nicht akzeptabler Flaschenhals erweisen. Für sehr schnelle HF-Signale wirkt das durchkontaktierte Loch (Plated Through Hole, PTH) wie eine Art Barriere. Ein großer Teil der in den Steckverbinder hineinlaufenden Signale wird reflektiert bzw. das durchlaufende Signal gelangt verzerrt zum Empfänger. Aber auch der Signalweg innerhalb des Steckverbinders ist von Bedeutung. Ungünstige Geometrien wie scharfkantige Abwinkelungen können sich negativ auf einen gleichmäßigen Wellenwiderstand der HF-Verbindung auswirken.
Bei Mobilfunk-Basisstationen, Hauptanwendungsgebiet für Mini Coax-Steckverbinder, wurde bislang mit maximalen Signalfrequenzen von 1,8 Gigahertz gearbeitet. In den neuen, sehr viel kompakteren Stationen werden Signale mit Maximalfrequenzen bis 3,7 Gigahertz übertragen. Je höher die Frequenzen, umso stärker bilden sich die störenden Signalreflexionen aus. Da der Vorverstärker ausgangsseitig im sendenden Zustand niederohmig, also mit geringem Widerstand beschaltet ist, können rücklaufende Energieanteile zu einer kompletten Übersteuerung führen - bis hin zur Zerstörung des Verstärkers. Selbst wenn der Verstärker schnell genug heruntergeregelt werden kann, führt das zumindest zu einer Absenkung des Nutzsignalpegels.
Die für die Einpresstechnik erforderlichen durchkontaktierten Löcher (PTH) weisen einen Durchmesser von ca. 1 mm auf, wogegen die beiden Microvia-Arten (blind und buried via, siehe Abb. 1) rund 5- bis 10-fach kleinere Durchmesser aufweisen. Sollen HF-Signale definiert übertragen werden, sind ein oder mehrere Signalrückleiter bei exaktem Durchmesser-Verhältnis von Signal- zu Masseleiter niederohmig an Masse anzubinden, ohne dass sich die Impedanz dieser koaxialen Struktur ändert. Für den Betrag der Impedanz gilt mit hinreichender Präzision:
Bei einem üblichen Leiterplattenmaterial müsste hier der Innendurchmesser eines Massepads mehr als 6 mm betragen, um den üblicherweise geforderten Wellenwiderstand von 50 Ohm zu gewährleisten. Dies ist mit der Anschlusstechnik des heutigen Steckverbinders nicht darstellbar.
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Darüber hinaus würde ein Massefreischnitt dieser Größe das Übersprechen zwischen benachbarten Signal-Layern unzulässig begünstigen.
Das Projektumfeld
Vorgabe bei der Konzeption des neuen Steckverbinders war, dass die Reflexionsverluste einschließlich Leiterplatteneffekten über den gesamten Frequenzbereich bis 3,7 GHz maximal 10 % betragen. (Vergleichsmessungen bestätigten, dass beim Nutzen der Einpresstechnik mit Verlusten von 30 % und mehr gerechnet werden muss.) Als Leiterplatte wurde eine 26-Lagen-Backplane aus verlustarmem Material (GeTek) von 6,5 mm Stärke zugrunde gelegt. Um die Zuverlässigkeit und Robustheit des Vorgängers zu nutzen, wurde das "Steckgesicht" der Masseanschlüsse übernommen. Hierdurch wurde für das neue Modell eine Quasi-Rückwärts-Steckkompatibilität erreicht.
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Der Lösungs-Ansatz
Aus Gründen einer durchgängigen Verarbeitung sind die Masseanschlüsse jetzt nicht als Einpresskontakte, sondern für das PiHIR-Verfahren (Pin in Hole Intrusive Reflow) ausgeführt. Die Signalanschlüsse setzen jetzt - ober-flächenmontierbar und ebenfalls reflow-geeignet - auf SMT-Pads mit integrierten Mikrovias auf, wobei der wesentlich kleinere Durchmesser der Mikrovias den notwendigen Isolationsabstand zu den Massepins sicherstellt. Problematisch bei SMT kann die mangelnde Koplanarität zur Leiterplattenoberfläche sein. Für den erforderlichen Toleranzausgleich sorgt ein Schiebemechanismus des zum U-Profil geformten Innenleiter- Federkontaktes. Durch dieses Konzept wird gleichzeitig eine ausreichende Wärmezufuhr zwischen Leiterplattenoberfläche und Steckerboden beim Löten gewährleistet.
Das HF-Design
Die Steckkompatibilität zum bisherigen Design gibt zwar bestimmte geometrische Randbedingungen vor, jedoch erfordert der Übergang zur SMT-Anschlusstechnik eine weitgehende Neuentwicklung des Steckverbinders, da kaum ein Detail unverändert bleibt. Ausgehend von einer grundlegenden Analyse des vorhandenen Mini Coax-Steckverbinders in Einpresstechnik erfolgt die Entwicklung in der Weise, dass die 3D-CAD-Konstruktionsdaten in ein ebenfalls dreidimensional arbeitendes HF-Computersimulationsprogramm, welches nach der Methode der Finiten Elemente (FEM) arbeitet, exportiert werden. Dort erfolgt eine Volumenvernetzung des Verbinders in viele kleine Zellen (die finiten Elemente), für die dann jeweils die elektromagnetischen Ausbreitungsvorgänge berechnet werden.
Der zur Verfügung stehende Simulator beherrscht sowohl statische 2D- als auch dynamische 3D-Simulationen (Full-Wave-Analyse). Durch Berechnungen der elektromagnetischen Feldverteilung wie auch der Leitungsparameter können insbesondere die Teile des Steckverbinders bzw. der Leiterplatte analysiert und optimiert werden, die zu Abweichungen von der nominalen Impedanz führen. Der Simulator ermöglicht darüber hinaus eine automatische Design-Anpassung, wenn eine der Zielgrößen, beispielsweise die Impedanz, fest vorgegeben wird.
Im vorliegenden Fall führten Simulationen zum Beispiel dazu, dass der bisher mehrfach abgewinkelte Verlauf der Kontaktfedern durch zwei weniger stark ausgeprägte Abwinkelungen ersetzt wurde. Die Zinkdruckguss-Kammern, welche teilweise den Außenleiter bilden, wurden ebenso optimiert wie der Kontaktbereich, wobei sich der Schiebemechanismus als das anspruchvollste Detail erwies. Schließlich galt es den SMT-Lötanschluss mit dem Microvia und den Massefreiflächen abzustimmen.
Das Ergebnis
Um es auf den Punkt zu bringen: Die geforderte Spezifikation - 10 % maximale Reflexionsverluste für das Gesamtsystem inklusive Leiterplatte - konnte uneingeschränkt erreicht werden (siehe Abbildung 2). Die Microvias wurden so optimiert, dass sie für die HF-Signale quasi "unsichtbar" sind, also keine Barriere mehr darstellen. Alle Simulationsresultate konnten durch breitbandige HF-Messungen (Netzwerkanalyse) bestätigt werden.
Der HARTING Mini Coax+ in SMT-Anschlusstechnik wurde durch konsequente und durchgängige Nutzung der entwicklungsbegleitenden Design-Werkzeuge auf maximale HF-Performance ausgelegt. An diesem Produkt wird deutlich, dass es möglich ist, die sich häufig widersprechenden mechanischen sowie verarbeitungstechnischen Vorgaben mit den übertragungstechnischen Anforderungen zu vereinbaren und gleichermaßen zu erfüllen.
