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台式射频测试中互连器件的演变

Jim Alexander, Dan Birch and David Beraun, Samtec, New Albany, Ind.

除了矢量网络分析仪（VNA）等测试仪器外，被测设备（DUT）的测试夹具也是射频台式评估的关键要素。DUT的复杂程度从单个芯片或元件到整个印刷电路板(PCB)子系统不等。在评估DUT性能时，最理想的情况是将测试设备直接连接到DUT的端口。然而，出于实际考虑，这种方法通常并不可行。因此，需要在DUT和测试设备之间使用测试夹具。

测试夹具通常由连接器、电缆和印刷电路板组合而成。测试夹具的主要目标之一是使其在电气上尽可能透明。这意味着测试夹具在整个测量带宽范围内都不应影响测量结果。S. Sankararaman等人¹进一步分析了测试夹具去嵌入和注意事项。

本文结合现代测试夹具面临的重要技术挑战，回顾了台式射频测试中某些类型的互连器件（电缆和连接器）是如何根据不断变化的测试需求而发展的。

技术挑战

VNA通常用于射频台式测试。自1970年代推出商用VNA以来，这些功能强大、用途广泛的仪器发生了巨大的变化。当时，这些设备是由多架不同仪器组成的。自问世以来，VNA已发展成为具有快速采样率、基于FFT的频谱分析、宽带宽和大容量内存的系统，可支持复杂宽带信号的分析。最近增加的直接数字合成(DDS)使较新的VNA可以从窄带分析扩展到几乎无限的带宽²。

幸运的是，VNA的技术进步也大大提高了测量速度。例如，1970年代的全频段频率扫描可能需要一个多小时。如今，VNA可以在几分之一秒内完成频率扫描。这种速度上的变化增强了VNA的作用，使其具备了实时测量能力，通常还能结合温度变化和振动等环境刺激进行测量。值得注意的是，这些刺激不仅会影响DUT的性能，还会影响测试夹具。

随着微波设备和系统的不断普及，32GHz和43.5GHz等新频段对于5G无线通信和K波段卫星通信等应用变得越来越重要。支持台式射频测试的VNA电缆通常经过优化，以实现最小损耗以及在时间、弯曲和温度条件下的相位稳定性。VNA及其相关电缆的示例如图1所示。随着新频段的应用，有机会优化新的电缆和/或连接器变体。例如，针对32GHz优化的电缆可提供比针对40GHz优化的电缆损耗更低的解决方案。

图1：Samtec Nitrowave™电缆在测试应用中使用Keysight P502A USB VNA。

此外，当今的测试装置要求互连器件（包括电缆和连接器）能够支持比以往更多的物理通道数，并在更小的空间内提供更高的密度。它们必须以高线性度运行，即在频带内没有非线性相位变化，并在连接/断开互连器件后显示出可重复性。这一点在最初的系统调试中尤为重要。要在电缆和连接器中满足所有这些互连需求，对供应商来说是一项挑战。

电缆和连接器的演变

在射频台式测试的早期，选择电缆或连接器往往是事后才考虑的事情。设计人员经常是有什么用什么。如今，与印刷电路板的连接可以使用各种不同的互连器件，每种器件在处理复杂信号时都各有优缺点。

SMA连接器

自1960年代起，亚小型A版(SMA)连接器就开始为射频和微波应用服务。如今，它们的应用频率高达27GHz。传统上，SMA采用通孔技术焊接到电路板上。后来，表面贴装型连接器开始流行，而边缘贴装型SMA则用于最高频率的应用。老式连接器，尤其是通孔设计，非常适合在频繁使用的恶劣条件下使用。但是，这些连接器可能需要大量的技术和/或昂贵的工具才能达到最佳效果。SMA连接器因其广泛的可用性和显著的坚固性，只要其带宽支持DUT的频率上限，仍然是一个很好的选择。

压紧安装连接器

自1960年代以来，压紧射频连接器就以某种形式存在，但最近由于能更容易地支持更高的频率而受到青睐。这与焊点有很大关系，更确切地说，是与消除焊点有关。事实证明，在较低频率下，焊点是连接互连器件的可靠方法。然而，随着频率和数据传输速率的提高，焊点的尺寸和形状等不可避免的变化转化为电气性能的变化³。多年来，推入式压紧安装连接器已改用螺纹，以提供更稳定的性能并确保安全连接。

压装连接器具有多种优势，包括与焊接连接器相比信号完整性更好、组装速度更快以及可拆卸和重复使用，这对射频台式测试的测试夹具非常有用⁴。例如，Samtec对测试夹具卡进行了优化，允许用户根据测试设置快速更换压紧安装连接器。图2显示了Samtec REF-228591评估套件的一个示例，其中包含1.35毫米、1.85毫米、2.40毫米和2.92毫米压紧安装连接器。

图2：Samtec REF-228591评估套件配有多个压紧安装连接器。

与焊接式连接器不同，压装式连接器通过微型通孔接入PCB信号层。这就避免了对大通孔和盲孔的需求。就性能而言，这可以转化为出色的阻抗，从而改善高速传输⁴。

对齐的重要性

小型压紧安装连接器非常适合用于测试、原型和诊断应用。这在很大程度上得益于其性能和易用性优势。这类连接器的一个问题是存在错位风险。遗憾的是，检测这种错位可能很困难^5,6。

所有信号输入和输出都需要互连器件⁷。幸运的是，业界已经解决了连接器对不准的问题，如图3所示，增加了视觉标志，帮助正确对准小型压紧安装连接器。这些对准标记可大大加快装配和对准速度，同时提高产量。这些对准功能与印刷电路板上的靶标配合使用，确保压紧安装连接器的正确位置和接触。成组（ganged）连接器也具有对准功能，有助于避免错位。

图3：箭头所指豁口用于对齐。

无焊接成组连接器

随着测试夹具中对连接器需求的增加，设计会变得笨重且空间受限。解决这一难题的办法是在射频台式测试中经常使用成组无焊接连接器。无焊接连接器可实现更多通道。此外，成组无焊压紧系统还能提高更换连接器的速度、可靠性和占用空间问题。

图4显示了一个Samtec Bulls Eye^®高性能测试组件的示例，该组件带有成组的无焊连接器和电缆。我们的研究表明，图4所示的配置具有良好的性能，因为电缆损耗低于PCB损耗。为了进一步降低损耗，成组连接器提高了连接密度，而且可以放置得更靠近DUT。

图4：成组压紧连接器简化了测试夹具板的设计。

通过改变电缆接近夹具的平面，可以进一步发挥成组连接器的优势。当测试夹具有Z高度限制时，这一点就变得尤为重要。在这些应用中，将电缆与印刷电路板平行放置是非常有利的。如图5所示，Samtec的Magnum RF^® GPPC-RA-SM产品具有3.94毫米的外形。

图5：带对带成组连接器配置。

性能分析

为了证明成组连接器配置的优势，我们对两个成组电缆连接器和相同长度的电路迹线进行了分析。分析的目的是了解测试夹具在宽频率范围内的插入损耗(IL)和回波损耗性能。图6显示了电路迹线和两个成组电缆连接器的损耗比较。其中一个成组连接器使用直径为0.047英寸的低损耗电缆，另一个使用直径为0.086英寸的低损耗电缆。结果表明，与长度与电缆相同的6英寸低损耗介质带状线迹线相比，成组电缆连接器可大幅减少夹具IL，尤其是在频率增加时。这些结果使测试夹具设计人员对使用成组压紧安装连接器充满信心。

图6：成组电缆连接器和迹线的插入损耗对比。

使用VNA时，互连相位和振幅稳定性是实现最佳性能的关键因素。特别是对于电缆而言，弯曲稳定性至关重要，因为夹具上会接入不同的测试点。为了实现稳定的测量，在动态应用中改用低损耗、高性能的微波电缆效果非常好。图7显示了Samtec Nitrowave LL043系列电缆在50万次弯曲前后50GHz的回波损耗性能。在这种情况下，非常适合用于射频台式测试应用的电缆在其结构中加入了中间层。这种结构是总体性能稳定的主要因素。

图7：弯曲50万次前后的相位稳定性

电缆的重要性

分析中使用的电缆是高性能微波电缆。随着本文所述连接器在射频台式测试中的发展，相关电缆也在发展。标准微波电缆类型，如RG142 50Ω电缆，可从许多不同的供应商处获得。此外，罗德与施瓦茨等VNA供应商也提供用于测试的电缆⁸。

有些设计需要高性能的多通道电缆，而台式测试和其他应用对柔性电缆的需求也在不断增长。W. L. Gore & Associates的PHASEFLEX^®微波/射频测试组件⁹和Samtec的Nitrowave电缆¹⁰等产品具有出色的机械耐久性和电气性能。这一点非常重要，因为在校准测试夹具时，电缆通常处于一个静态位置。然而，校准后，电缆可能会被移动到设备上的不同测试点。在这种情况下，保持校准信号的稳定性就变得非常重要。

展望未来

在整个射频台式测试的发展过程中，互连器件供应商和仪器供应商都在使自己的产品更易于使用。这种发展提供了更稳定的性能，并支持频率范围的不断扩大。预计互连器件供应商将继续适应测试设备制造商的变化。对更大通道数和更高密度的需求将继续推动对更低间距和更高带宽的成组连接器的需求。

此外，升级现有技术的机会将变得越来越重要。例如，1毫米连接器的传统额定最高频率为110GHz。新的应用促使人们需要升级设计，并将这些连接器和电缆的工作频率提高到125GHz甚至更高。毫无疑问，时代已经发生了变化，现在人们对互连技术给予了极大的关注。随着新技术挑战的出现，制造商将继续推进互连技术的发展。

参考资料