CN111937248B - 用于大规模多输入多输出天线系统的快速焊料芯片连接器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种快速焊料芯片连接器，该快速焊料芯片连接器可以包括主体、容纳在该主体中的无线电信号导体、以及一体地形成在该主体中的一个或多个接地引脚。在一些实施例中，该无线电信号导体可以包括被配置成电连接到形成在第一印刷电路板上的第一传输线的第一端以及被配置成电连接到形成在第二印刷电路板上的第二传输线的第二端，并且可以在该第一传输线与该第二传输线之间提供射频信号路径。该一个或多个接地引脚可以从该主体的相反端延伸，并且可以被配置成物理地支撑该主体以及该第一印刷电路板与该第二印刷电路板之间的无线电信号导体。

Description

用于大规模多输入多输出天线系统的快速焊料芯片连接器
技术领域
本发明总体上涉及大规模多输入多输出天线系统。更具体地，本发明涉及用于大规模多输入多输出天线系统的快速焊料芯片连接器。
背景技术
对移动宽带服务和5G技术的增长需求要求运营商从现有频谱中增加网络容量，并且大规模多输入多输出(MIMO)技术是实现这种网络容量增长的一种技术。大规模MIMO技术是对标准MIMO技术的扩展，将发射器和接收器处的天线分组在一起以提供更好的吞吐量和更好的频谱效率。例如，采用64发射/64接收配置的128天线阵列可以部署采用载波聚合以及范围广泛的自定义变量的16层大规模MIMO配置，以实现高达五倍以上的网络容量、高峰值下行链路吞吐量、显著改善的上行链路以及当与标准的MIMO配置相比更大的覆盖范围。大规模MIMO技术还可以与3D波束成形技术结合使用，以提供更宽的覆盖范围和更好的室内穿透力。
然而，如图1可见，大规模MIMO配置中的大量天线成比例地增加了从无线电板到天线板的连接所需的RF电缆和连接器的数量。在大多数情况下，用于这种增加数量的RF电缆和连接器的空间是有限的，这使得容纳所需的所有RF电缆和连接器并且在没有显著增加成本和复杂性的情况下仍然维持良好的性能水平是困难的。例如，典型的5G CBRS大规模MIMO阵列可以包括多于128个天线元件，其中每个天线元件包括不同的RF馈送连接。
这些大型MIMO系统的正确运行需要天线板与无线电板之间的每个天线的良好的RF馈送连接。例如，良好的RF馈送连接需要信号线和接地线均与适当的机构连接，以在整个RF馈送连接中维持适当的传输线阻抗。相应地，本领域中已知的RF馈送连接通常包括的同轴电缆和连接器的中心导体(信号)的直径与外部导体(地面)的直径的比率相等，使得可以沿RF馈送连接的整个长度维持50Ohm阻抗。然而，这样的传统连接较大、过于昂贵、繁琐并且在组装时容易出错。
解决上述问题的一种已知解决方案在图2A、图2B、图2C以及图3中示出并且包括三部件板对板系统10，该三部件板对板系统用于经由第一PCB表面贴装连接器11、第二PCB表面贴装连接器12和插塞适配器13将天线印刷电路板(PCB)连接到无线电收发器PCB。如图3可见，第一PCB表面贴装连接器11和第二PCB表面贴装连接器12可以分别与天线PCB和无线电收发器PCB集成在一起，并且插塞适配器13可以在第一PCB表面贴装连接器11与第二PCB表面贴装连接器12之间提供电连接。然而，三部件板对板系统10存在若干已知问题。首先，三部件板对板系统10利用插塞适配器13的盲配在第一PCB表面贴装连接器11与第二PCB表面贴装连接器12之间提供RF链路，这将工作频率限制为最大6GHz。其次，三部件板对板系统10利用三个不同的零件，这增加了复杂性、组装时间以及零件和人工的费用。第三，如图3可见，采用三个不同的部件通常导致轴向和径向未对准，这导致失配和相位误差，从而致使RF性能下降。
其他已知的解决方案图4A、图4B、图4C、图4D、图5A和图5B中示出。图4A、图4B、图4C、图4D中示出的解决方案包括单部件板对板系统14a，该部件板对板系统用于经由接触部件15a将天线PCB连接到无线电收发器PCB。如图4A和图4B可见，接触部件15a可以与天线PCB或无线电收发器PCB之一集成，并且接触部件15a的外部接触部分和中心接触部分可以在压力下连接到天线PCB与无线电收发器PCB之间的RF路径。类似地，图5A和图5B中所示的解决方案包括双部件板对板系统14b，该双部件板对板系统用于经由接触部件15b和压装接纳器部件16将天线PCB连接到无线电收发器PCB。如图5A可见，接触部件15b和压装接纳器部件16可以分别与天线PCB和无线电收发器PCB集成在一起，并且接触部件15b的外部接触部分和中心接触部分可以与压装接纳器部件16配合，以在天线PCB与无线电收发器PCB之间提供RF链路。然而，单部件板对板系统14a和双部件板对板系统14b也都存在若干已知问题。首先，接触部件15a、15b的外部接触部分和中心接触部分由弯曲的金属片制成，这阻止了单部件板对板系统14a和双部件板对板系统14b实现精确的50欧姆阻抗，从而降低了较高频率下的RF性能。其次，形成接触部件15a、15b的外部接触部分和中心接触部分的弹簧指的接触电阻可能会随着时间以及变化的环境条件(诸如振动和冲击)而降低。第三，与三部件板对板系统10一样，可能发生径向未对准，该径向未对准导致可能致使RF性能下降的失配和相位误差。
鉴于上述情况，对改进的连接器的需求一直持续存在。
附图说明
图1是本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的透视图；
图2A是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的三部件板对板连接器系统的一个部件的透视图；
图2B是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的三部件板对板连接器系统的一个部件的透视图；
图2C是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的三部件板对板连接器系统的一个部件的侧视图；
图3是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的三部件板对板连接器系统的截面视图；
图4A是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的单部件板对板连接器系统的侧视图；
图4B是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的单部件板对板连接器系统的侧视图；
图4C是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的单部件板对板连接器系统的透视图；
图4D是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的单部件板对板连接器系统的透视图；
图5A是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的双部件板对板连接器系统的侧视图；
图5B是用于本领域已知的大规模多输入多输出天线系统的双部件板对板连接器系统的一个部件的透视图；
图6是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器的透视图；
图7是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器的顶视图；
图8是与根据所披露的实施例的多个快速焊料芯片连接器结合使用的大规模多输入多输出天线阵列的透视图；
图9是经由根据所披露的实施例的多个快速焊料芯片连接器连接的大规模多输入多输出天线系统的透视图；
图10是经由根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器连接的大规模多输入多输出天线系统的一部分的透视图；
图11是经由根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器连接的大规模多输入多输出天线系统的一部分的侧视图；
图12是经由根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器连接的大规模多输入多输出天线系统的一部分的侧视图；
图13是经由根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器连接的大规模多输入多输出天线系统的一部分的侧视图；
图14是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器的模拟电压驻波比的曲线图；
图15是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器的模拟插入损耗的曲线图；以及
图16是根据所披露的实施例的方法的流程图。
具体实施方式
尽管本发明具有许多不同形式的实施例，但是在附图中示出并且将在本文中详细描述其具体实施例，以理解本披露应被认为是对本发明的原理的例示。不旨在将本发明限制为具体的所展示实施例。
本文披露的实施例可以包括快速焊料芯片连接器。快速焊料芯片连接器可以具有以下特征：较小的占地面积(例如，3.25mm×3.25mm)和较低的主体高度(例如，3mm)，并且在一些实施例中，可以针对不同的工作环境调整快速焊料芯片连接器的主体高度。使用快速焊料芯片连接器或多个快速焊料芯片连接器的系统的射频性能可以高达9GHz，并且可以根据快速焊料芯片连接器的尺寸和精密制造而针对其他频率范围进行优化。有利地，快速焊料芯片连接器可以通过用单个互连部件代替已知系统和方法中使用的多个部件来提供低成本、高精度和高性能，从而降低了由于轴向或径向未对准导致的性能降低的风险。
图6是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器20的透视图，并且图7是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器20的顶视图。如图6和图7可见，快速焊料芯片连接器20可以包括主体21、一个或多个接地引脚22、无线电信号导体24、被布置在无线电信号导体24与一个或多个接地引脚22之间的电绝缘体26、以及被布置在一个或多个接地引脚22之间的槽28。在一些实施例中，无线电信号导体24的内径可以是0.45mm，并且电绝缘体26的外径可以是1.5mm。
如图6和图7可见，在一些实施例中，一个或多个接地引脚可以与主体21一体地形成并且可以从主体21的相反端延伸，从而使得被配置成物理地支撑第一印刷电路板与第二印刷电路板之间的快速焊料芯片连接器20，例如，如图9至图13可见。在一些实施例中，主体21可以容纳无线电信号导体24和电绝缘体26。
针对主体21与一个或多个接地引脚22的组合设想了各种形状，并且这样的形状可以包括但不限于圆柱体、立方体和矩形棱柱。类似地，针对一个或多个接地引脚22中的每一个设想了各种形状，并且这样的形状可以包括但不限于圆形、矩形和方形。此外，设想了一个或多个接地引脚22的各种配置，并且这样的配置可以包括但不限于与主体21集成的单个接地引脚、与主体21集成的两个接地引脚、与主体21集成的三个接地引脚、以及与主体21集成的四个或更多个接地引脚。
图8是与根据所披露的实施例的多个快速焊料芯片连接器20结合使用的大规模多输入多输出(MIMO)天线阵列30的透视图，并且图9是经由根据所披露的实施例的多个快速焊料芯片连接器20连接的大规模MIMO天线系统36的透视图。如图8可见，大规模MIMO天线阵列30可以包括安装到印刷电路板32上的多个天线元件34，并且如图9可见，大规模MIMO天线阵列30可以经由多个快速焊料芯片连接器20连接到印刷电路板38，以形成大规模MIMO天线系统36。在一些实施例中，印刷电路板38可以将多个天线元件34连接到射频信号源。
图10是经由根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器20连接的大规模MIMO天线系统36的一部分的透视图。如图10可见，印刷电路板32可以包括传输线40，该传输线可以连接到快速焊料芯片连接器20的无线电信号导体24的第一端41，并且印刷电路板38可以包括传输线42，该传输线可以连接到快速焊料芯片连接器20的无线电信号导体24的第二端43。在一些实施例中，传输线40可以连接到大规模MIMO天线阵列30的多个天线元件34中的一个天线元件，传输线42可以连接到射频信号源，并且无线电信号导体24可以在射频信号源与多个天线元件34中的该天线元件之间提供射频信号路径。
图11至图13是经由根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器20连接的大规模MIMO天线系统36的一部分的侧视图。如图11至图13可见，设想了传输线40、42的不同配置。
例如，如图11可见，这两条传输线40、42均可以形成在印刷电路板32、38的外层上。在这样的实施例中，传输线40、42可以经由形成在印刷电路板32、38中的电镀通孔44、46连接到无线电信号导体24的第一端41和第二端43。在一些实施例中，电镀通孔44、46可以包括标准的印刷电路板过孔。
然而，如图12可见，在一些实施例中，传输线40可以形成在印刷电路板32的外层上，并且传输线42可以形成在印刷电路板38的内层上。在这样的实施例中，传输线40可以经由电镀通孔44连接到无线电信号导体24的第一端41，并且传输线42可以经由直接连接48连接到无线电信号导体24的第二端43。
然而，如图13可见，在一些实施例中，传输线40可以形成在印刷电路板32的内层上，并且传输线42可以形成在印刷电路板38的内层上。在这样的实施例中，传输线40可以经由直接连接52连接到无线电信号导体24的第一端41，并且传输线42可以经由直接连接48连接到无线电信号导体24的第二端43。在一些实施例中，直接连接48、52以及电镀通孔44、46可以包括由本领域已知的一种或多种焊料回流工艺形成的焊接连接或通过其实现。
还设想了包括嵌入在印刷电路板32、38内的传输线40、42的其他配置。
在传输线40、42中的一个或两个都形成在印刷电路板32、38的内层上的任何实施例中，快速焊料芯片连接器20的槽28可以为一个或多个接地引脚22之间的传输线40、42提供非导电路线。
如图11至图13可见，快速焊料芯片连接器20可以经由电镀通孔50或经由直接表面连接52连接到接地参考。例如，快速焊料芯片连接器20的一个或多个接地引脚22可以经由直接表面连接52直接焊接到接地参考，或者可以焊接到电镀通孔50以连接到接地参考。
图14是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器20的模拟电压驻波比(VSWR)的曲线图，并且图15是根据所披露的实施例的快速焊料芯片连接器20的模拟插入损耗的曲线图。如图14可见，快速焊料芯片连接器20在高达9GHz的工作频率下可以产生小于1.2的VSWR，并且如图15可见，快速焊料芯片连接器20可以在高达9GHz的工作频率下可以产生小于0.25的插入损耗。
图16是根据所披露的实施例的用于制造大规模MIMO天线系统36的方法100的流程图。方法100可以包括：如在102中，将快速焊料芯片连接器20的第一组一个或多个接地引脚22定位在第一印刷电路板32的表面上；如在104中，将第一组一个或多个接地引脚22焊接到第一印刷电路板32上以产生第一接地连接，并且将无线电信号导体24的第一端41焊接到第一印刷电路板32，以将无线电信号导体24的第一端41电连接到第一印刷电路板32上的第一传输线40；以及如在106中，将印刷电路板38的表面定位在与第一组一个或多个接地引脚22相反的第二组一个或多个接地引脚22上。另外地或可替代地，在一些实施例中，快速焊料芯片连接器20和印刷电路板32可以关于印刷电路板38定位。在任何实施例中，方法100还可以包括：如在108中，将第二组一个或多个接地引脚22焊接到第二印刷电路板38上以产生第二接地连接，以及将无线电信号导体24的第二端43焊接到印刷电路板38上，以将无线电信号导体24的第二端43电连接到印刷电路板38上的传输线42。
在一些实施例中，方法100可以包括：如在104中，在第一温度下使用第一回流焊接工艺将第一组一个或多个接地引脚22和无线电信号导体24的第一端41焊接到印刷电路板32上；以及如在108中，在低于第一温度的第二温度下使用第二回流焊接工艺将第二组一个或多个接地引脚22和无线电信号导体24的第二端43焊接到印刷电路板38上。对第二回流焊接工艺使用较低的温度可以防止在第一回流焊接工艺期间施加的焊料在第二回流焊接工艺期间熔化。
在一些实施例中，快速焊料芯片连接器20和印刷电路板32的组合可以作为单个单元被供应到供应印刷电路板38的无线电制造商。在这样的实施例中，无线电制造商可以如本文所描述的将第二组一个或多个接地引脚22和无线电信号导体24的第二端43分别焊接到印刷电路板38上。
在一些实施例中，方法100可以包括以卷带包装的格式将快速焊料芯片连接器20供应到拾取放置机器，以提供增加的制造可靠性和时间节省。例如，拾取放置机器可以从卷带包装取回快速焊料芯片连接器20，并且对快速焊料芯片连接器20进行定位，使得第一组一个或多个接地引脚22在印刷电路板32的表面上。
虽然以上已经详细地描述了几个实施例，但其他修改是可能的。例如，可以向所描述的系统添加其他部件或从其中移除其他部件，并且其他实施例可以落入本发明的范围内。另外，上文所描述的逻辑流程不需要所描述的特定顺序或相继顺序来实现期望的结果。可以提供其他步骤，可以从所描述的流程中消除步骤，并且可以将其他部件添加到所描述的系统或从所描述的系统移除。其他实施例可以位于本发明的范围内。
根据前述内容将观察到，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以实现许多变体和修改。应理解的是，并不意使或不应推断出关于本文所描述的特定系统或方法的限制。当然，旨在覆盖如落入本发明的精神和范围内的所有这种修改。

Claims (20)

1.一种快速焊料芯片连接器，包括：
主体；
容纳在所述主体中的无线电信号导体，所述无线电信号导体包括被配置成焊接到第一印刷电路板并被配置成电连接到形成在所述第一印刷电路板上的第一传输线的第一端，和被配置成焊接到第二印刷电路板并被被配置成电连接到形成在所述第二印刷电路板上的第二传输线的第二端；以及
一体地形成在所述主体中的一个或多个接地引脚，
其中，所述一个或多个接地引脚从所述主体的相反端延伸，并且被配置成物理地支撑所述主体以及所述第一印刷电路板与所述第二印刷电路板之间的无线电信号导体，并且
其中，所述无线电信号导体被配置成在所述第一传输线与所述第二传输线之间提供射频信号路径。
2.如权利要求1所述的快速焊料芯片连接器，进一步包括电绝缘体，所述电绝缘体被布置在所述无线电信号导体与所述一个或多个接地引脚之间。
3.如权利要求2所述的快速焊料芯片连接器，其中，所述电绝缘体围绕所述无线电信号导体的至少一部分。
4.如权利要求1所述的快速焊料芯片连接器，进一步包括第一槽，所述第一槽被布置在靠近所述无线电信号导体的第一端的所述一个或多个接地引脚的第一组之间，其中，所述第一槽被配置成针对所述一个或多个接地引脚的所述第一组之间的第一传输线提供第一非导电路线。
5.如权利要求4所述的快速焊料芯片连接器，进一步包括第二槽，所述第二槽被布置在靠近所述无线电信号导体的第二端的所述一个或多个接地引脚的第二组之间，其中，所述第二槽被配置成针对所述一个或多个接地引脚的所述第二组之间的第二传输线提供第二非导电路线。
6.如权利要求1所述的快速焊料芯片连接器，其中，所述无线电信号导体的第一端被配置成经由所述第一印刷电路板中的第一电镀通孔或经由到所述第一传输线的第一直接连接而电连接到所述第一传输线。
7.如权利要求6所述的快速焊料芯片连接器，其中，所述无线电信号导体的第二端被配置成经由所述第二印刷电路板中的第二电镀通孔或经由到所述第二传输线的第二直接连接而电连接到所述第二传输线。
8.一种系统，包括：
第一印刷电路板，所述第一印刷电路板包括集成天线元件以及电连接到所述集成天线元件的第一传输线；
第二印刷电路板，所述第二印刷电路板包括连接到射频信号源的第二传输线；以及
快速焊料芯片连接器，所述快速焊料芯片连接器包括主体、容纳在所述主体中的无线电信号导体、以及一体地形成在所述主体中的一个或多个接地引脚，所述无线电信号导体具有电连接到所述第一传输线的第一端以及电连接到所述第二传输线的第二端，
其中，所述一个或多个接地引脚从所述主体的相反端延伸，并且被配置成物理地支撑在所述第一印刷电路板与所述第二印刷电路板之间的快速焊料芯片连接器，并且
其中，所述无线电信号导体在所述射频信号源与所述集成天线元件之间提供射频信号路径，
其中所述无线电信号导体包括被配置成焊接到所述第一印刷电路板的第一端和被配置成焊接到所述第二印刷电路板的第二端。
9.如权利要求8所述的系统，其中，所述快速焊料芯片连接器包括电绝缘体，所述电绝缘体被布置在所述无线电信号导体与所述一个或多个接地引脚之间。
10.如权利要求9所述的系统，其中，所述电绝缘体围绕所述无线电信号导体的至少一部分。
11.如权利要求8所述的系统，其中，所述快速焊料芯片连接器包括第一槽，所述第一槽被布置在靠近所述无线电信号导体的第一端的所述一个或多个接地引脚的第一组之间，并且其中，当所述第一传输线位于所述第一印刷电路板的第一内层上时，所述第一槽针对所述一个或多个接地引脚的所述第一组之间的第一传输线提供第一非导电路线。
12.如权利要求11所述的系统，其中，所述快速焊料芯片连接器包括第二槽，所述第二槽被布置在靠近所述无线电信号导体的第二端的所述一个或多个接地引脚的第二组之间，并且其中，当所述第二传输线位于所述第二印刷电路板的第二内层上时，所述第二槽针对所述一个或多个接地引脚的所述第二组之间的第二传输线提供第二非导电路线。
13.如权利要求8所述的系统，其中，所述无线电信号导体的第一端经由所述第一印刷电路板中的第一电镀通孔或经由到所述第一传输线的第一直接连接而电连接到所述第一传输线。
14.如权利要求13所述的系统，其中，所述无线电信号导体的第二端经由所述第二印刷电路板中的第二电镀通孔或经由到所述第二传输线的第二直接连接而电连接到所述第二传输线。
15.一种方法，包括：
将一体地形成在快速焊料芯片连接器的主体中的一个或多个接地引脚的第一组定位在第一印刷电路板的第一表面上，其中，所述一个或多个接地引脚的所述第一组靠近所述快速焊料芯片连接器的主体的第一端；
将所述一个或多个接地引脚的所述第一组焊接到所述第一印刷电路板上以产生第一接地连接；
将容纳在所述主体中的无线电信号导体的第一端焊接到所述第一印刷电路板，以将所述无线电信号导体的第一端电连接到所述第一印刷电路板上的第一传输线；
将第二印刷电路板的第二表面定位在所述一个或多个接地引脚的第二组上，其中，所述一个或多个接地引脚的所述第二组靠近所述主体的与所述第一端相反的第二端；
将所述一个或多个接地引脚的所述第二组焊接到所述第二印刷电路板上以产生第二接地连接；以及
将所述无线电信号导体的第二端焊接到所述第二印刷电路板，以将所述无线电信号导体的第二端电连接到所述第二印刷电路板上的第二传输线。
16.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
在第一温度下使用第一回流焊接工艺将所述一个或多个接地引脚的所述第一组和所述无线电信号导体的第一端焊接到所述第一印刷电路板上；以及
在第二温度下使用第二回流焊接工艺将所述一个或多个接地引脚的所述第二组和所述无线电信号导体的第二端焊接到所述第二印刷电路板上，
其中，所述第二温度低于所述第一温度。
17.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
以卷带包装的格式将快速焊料芯片连接器供应到拾取放置机器；以及
所述拾取放置机器将所述一个或多个接地引脚的所述第一组定位在所述第一印刷电路板的第一表面上。
18.如权利要求15所述的方法，其中，所述一个或多个接地引脚从所述主体的相反端延伸，以物理地支撑所述第一印刷电路板与所述第二印刷电路板之间的快速焊料芯片连接器，其中，所述第一印刷电路板包括天线元件，其中，所述第一传输线电连接到所述天线元件，并且其中，所述无线电信号导体在所述第二传输线与所述天线元件之间提供射频信号路径。
19.如权利要求15所述的方法，其中，所述快速焊料芯片连接器包括被布置在所述一个或多个接地引脚的所述第一组之间的第一槽以及被布置在所述一个或多个接地引脚的所述第二组之间的第二槽，其中，当所述第一传输线位于所述第一印刷电路板的第一内层上时，所述第一槽针对所述一个或多个接地引脚的所述第一组之间的第一传输线提供第一非导电路线，并且其中，当所述第二传输线位于所述第二印刷电路板的第二内层上时，所述第二槽针对所述一个或多个接地引脚的所述第二组之间的第二传输线提供第二非导电路线。
20.如权利要求15所述的方法，其中，所述无线电信号导体的第一端经由所述第一印刷电路板中的第一电镀通孔或经由到所述第一传输线的第一直接连接而电连接到所述第一传输线，并且其中，所述无线电信号导体的第二端经由所述第二印刷电路板中的第二电镀通孔或经由到所述第二传输线的第二直接连接而电连接到所述第二传输线。
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