隨著移動通信用戶數量的迅速增加，市場對高速通信的需求也日益增長。相關企業和行業團體正在夜以繼日地奮戰，全力應對這一挑戰。5G 網絡的速度預期將比 4G LTE 快 100 倍，寬帶連接速度可提高 10 倍。“我們需要解決很多問題，才能將 5G 技術從概念轉化到實際應用中。” Signal Microwave 公司的聯合創始人 Bill Rosas 表示，“我們的首要任務是要能整體實現 5G 技術，同時必須解決從網絡測試到更新系統互聯的各項技術。”

對于連接器而言，即便是微小的技術細節，也值得研發人員投入大量的精力進行研究。這些不可替代的機電組件的作用是連接電氣終端，保證終端能正常地將電磁能量通過一條傳輸線傳到另一個組件，實現數據的傳輸或解析。所有電子設備和系統都離不開連接器，其精度對于傳輸信息的電路而言至關重要，尤其是在數據傳輸速率不斷提升的今天，連接器的重要性更是不言而喻。

Eric Gebhard 和 Bill Rosas 共同創立了 Signal Microwave 公司，其核心業務是為信號完整性分析領域提供定制的連接器。Signal Microwave 有能力持續提升電路的數據傳輸速率，滿足優化射頻、微波和毫米波連接器的需求，為未來 5G 的發展奠定堅實的基礎。

頻率增加帶來的復雜性

從事射頻（radio frequency，簡稱 RF）連接器設計的專業人員面臨著一系列的難題。他們一方面要考慮幾何形狀、尺寸和傳輸的限制要求，另一方面還要保證連接器與傳輸線的阻抗相互匹配。Rosas 表示：“5G 應用的組件制造商在供貨速度方面無可挑剔，開發和提供高性能組件的能力是在市場競爭中取勝的關鍵。”

當頻率增高時，幾何結構或材料選擇造成的微小失真會被放大，致使保證阻抗匹配的難度增大。圖 1 的照片顯示了專為開發中的 5G 通信應用而設計的射頻連接器。

圖 1. 發射轉換器的特寫圖（左）； 由 5G 系統工程師制作的測試電路板（右）。

仿真可以幫助設計人員對射頻基礎設施的關鍵組件進行深度優化，Gebhard 和Rosas 對具體的實現方式表現出了濃厚的興趣。Signal Microwave 擁有廣泛的客戶群，其中一部分工程師客戶專為通信領域、商業和軍事應用開發頻率為 40~110 GHz 的高頻裝置。

設計射頻連接器

多物理場仿真讓 Eric 和他的團隊能夠快速地應對每一位新客戶提出的設計挑戰。Gebhard 表示： “COMSOL 軟件可與多種設計工具進行交互使用，這一功能可以讓我們的團隊高效地開發并優化連接器，滿足不同行業客戶的個性化要求。”這種方式縮短了產品的上市時間、減少了總體開發成本，并降低了對投資的需求。另外，由于組件設計人員無需考慮連接組件安全性方面的問題，這讓他們可以放心地將全部精力投入到其他關鍵環節。

簡單來說，設計人員需要將電連接器的機械部件轉換為傳輸線。在設計射頻連接器時，首要設計目標是制造出可實現“電隱形”的組件，即通過使連接器與傳輸線的其余部份保持基本相近的性能，盡可能地減少電阻和能量損耗。Gebhard 說：“阻抗不匹配會引起回波損耗，導致信號失真或衰減，我們希望最大限度地減少這一問題。”借助仿真分析，設計人員在進行制造和測試前，就可以完成對產品的優化。

通過仿真尋找完美的連接器

通常情況下，Signal Mi-crowave 的客戶會要求提交單件連接器的具體幾何參數，并預先確定阻抗值，然后他們會據此進行剩余的設計工作。Gebhard 和Rosas 采用了一種整體分析方法來設計連接器，并在設計之前預先加入電路板和設備的總體要求。該團隊通常會先在 Solid Edge? 軟件中構建幾何體，再將幾何導入 COMSOL Multiphysics?，然后使用軟件中的 RF 建模功能來分析和優化設計。

Gebhard 對測得的電壓駐波比（voltage standingwave ratio）、回波損耗和插入損耗，以及由阻抗不匹配或意外的不連續性導致的功率損耗進行了仿真分析，這些參數都應降至最小。舉例來說，Signal Microwave 組件中測試電路板的電壓駐波比測量值小于 1.5:1，與仿真結果一致，說明了反射功率和回波損耗足夠低（圖 2 左）。 根據仿真結果，該團隊判斷插入損耗較為平緩，損耗隨著頻率的增高而逐漸增加（圖 2 右）。借助多物理場仿真，Signal Microwave 的團隊建立了反射功率最小的無焊接邊緣連接器組合，這一組合可以拓展到毫米波的范圍。

圖 2. Signal Microwave 部件中測試電路板的電壓駐波比（VSWR）測量值（左）和插入損耗（以 dB 為單位的 S21 參數的值，參考右圖）。

邊緣啟動連接器

Gebhard 同時還模擬了兩個邊緣啟動連接器，連接器利用 50 歐姆的同軸集總端口進行激勵和終止。在這個案例中，接地共面波導（grounded coplanar waveguide）電路板在 8 密耳（mil，容量單位）的基材上完成制作，基材的介電常數為 3.55。金屬過孔將共面波導的一對接地平面連接到底部的接地平面（圖 3）。

圖 3. 結合了 5G 和衛星通信技術的高速互連應用的測試電路板仿真圖像。在 20 GHz 下，電場中以 dB 為單位的模量的云圖和箭頭圖（左）。第一張繪圖的放大版（中）。在 1 GHz 下，電路板頂部電場中以 dB 為單位的電場模的等值面圖（右）。

Gebhard 解釋說：“為了成功實現連接器的‘電隱身’，我們采取的方法是通過仔細檢查幾何的不連續性來盡量減少反射，在此過程中我們利用了 S 參數來描述回波損耗。”

除了通過修改幾何結構來最大程度地降低回波損耗，Gebhard 還可以通過優化介電材料來獲得所需的阻抗。在某些情況下，Gebhard 也會使用 COMSOL? 軟件來計算結構設計的相關問題，例如拆下連接器主體上的針腳所需要的最小力。

從高度匹配到成為現實

Gebhard 同時還開發了頻率為 70 GHz 的盲插式連接器，可以適用于自動測試設備。在軟件中完成對射頻模型的創建后，他制作了物理樣機。令人吃驚的是，連接器樣機并未按照預期實現正常工作。在對物理原型進行細致的分析后，Gebhard 這才意識到連接器存在一個微小的缺陷。經過工程技術鑒定，Gebhard 回到原始模型，并將缺陷添加進來。最終，仿真結果與物理測試數據完美匹配。

“虛擬設計正確無誤，然而物理樣機卻出現了我們沒有預料到的缺陷。在對樣機進行詳細的測試后，我們發現了問題的所在，并將缺陷添加到了虛擬模型中。最終，生成的仿真結果與觀察到的問題完全一致。對我們來說這真是一個靈光乍現的體驗。”

“在這個案例中，我驚喜地看到仿真結果與現實如此高度地吻合。我們隨后又在這個射頻連接器設計中添加了一些特別的構思，十分期待親眼看到這些連接器的性能表現。”

高精度的仿真工具讓 Gebhard 可以不受約束地設計和制造針對專業射頻應用的定制化連接器，不僅減少了對物理樣機的需求，同時還有效地縮短了開發周期。