DE10119778C1 - Frequenzoptimierter Verbinder zwischen Kabeln und Leiterplatte - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Verbinder für hochbitratige Verbindungen in der Vermittlungs- und Rechnertechnik, bei dem in einem Gehäuse eine Koplanarleitung zum Verbinden von wenigstens einem Kabel und einer Leiterplatte angebracht ist. Durch Optimierung ihrer geometrischen Abmessungen weist die Koplanarleitung eine im wesentlichen konstante Impedanz auf. Die Erfindung hat den Vorteil, dass Abstrahlungen und Reflexionen durch die Impedanzoptimierung vermieden werden. Eine vollständige Schirmung lässt sich mit einem metallisierten Gehäuse erzielen, das beispielsweise durch Löttechnik mit der Leiterplatte und dem Schutzmantel des Kabels verbindbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Verbinder zum Verbinden einer Leiterplatte und wenigstens eines Kabels.

Für moderne elektronische System z. B. in der Vermittlungs­ technik werden hochbitratige Verbindungen zwischen elektri­ schen Kabeln (Koaxialkabeln, Twinaxkabeln, verdrillte Kupfer­ adern, . . .) und Leiterplatten (FR4-Leiterplatten, Keramiksub­ strate, LTCC (low temperature cofired ceramic) Modulen, . . .) benötigt. Diese Verbindungen dürfen hinsichtlich der elektri­ schen Eigenschaften nur geringe Störungen aufweisen. Insbe­ sondere müssen Reflexionen und Abstrahlungen der elektromag­ netischen Felder minimiert werden.

Die Verbindungen erfolgten bisher zumeist mit Hilfe von THT- (through hole technology) oder SMT-(surface mounted techno­ logy)Verbindern.

Die THT-Technik zur Montage von elektronischen Bauteilen auf der Leiterplatten ist älter als die SMT-Technik. Im Rahmen dieser Technik werden die Anschlüsse der Komponenten durch dafür vorhandene Löcher in der Leiterplatte gesteckt und mit­ tels Durchkontaktierungen mit den Leiterbahnen in der Leiter­ platte verlötet.

Bei der SMT-Technik werden die Anschlüsse von Komponenten di­ rekt auf die Leiterplatte gelötet.

Mittels der THT- und der SMT-Technik erzeugte Verbindungen von Leiterplatten und Kabeln führen insbesondere bei hohen Frequenzen im Bereich von über 1 GHz zu sehr starken Reflexi­ onen der elektromagnetischen Felder, weil der Übergangsbe­ reich zwischen Kabel und Mehrebenenleiterplatten hinsichtlich der Leitungsimpedanzen nicht hinreichend optimiert ist. Au­ ßerdem weisen die Verbinder im Übergangsbereich Schlitze und Öffnungen auf, so dass es zur Abstrahlung von elektromagneti­ schen Wellen kommt.

Aus der EP 0 031 869 B1 ist ein Übergang von einem Koaxialka­ bel auf einen mehrpoligen Steckverbinder bekannt. Der bekannte Übergang weist eine koplanare Bandleitung mit einem eingebetteten Leiterstreifen auf. Der Wellenwiderstand im Bereich der Bandleitung ist konstant und lässt sich dank der einfachen Geometrie mit einer analytischen Formel in Ab­ hängigkeit der Breiten des Leiterstreifens und der Bandlei­ tung berechnen. Eine Anpassung des Wellenwiderstands kann durch Wahl der Werte für die beiden Breiten vorgenommen wer­ den. Dabei liegt eine Widerstandsanpassung dann vor, wenn der Wellenwiderstand des Übergangs gleich dem geometrischen Mit­ tel der anzupassenden Widerstände ist (Spalte 2, Zeilen 46-­ 50). Der Wellenwiderstand der Anpassungsleitung wird so ge­ wählt, dass die Anpassungsleitung einen für diesen Bereich konstanten Wellenwiderstand besitzt, dessen Wert zwischen dem des durch den Verbinder verbundenen Koaxialkabels und dem des mehrpoligen Steckverbinders liegt. An den Verbindungsstellen zwischen Verbinder und Koaxialkabel sowie Verbinder und mehr­ poliger Steckverbinder können Sprünge bzw. Unstetigkeiten des Wellenwiderstands auftreten. Der bekannte Steckverbinder ist daher für die Verwendung bei moderaten Qualitätsanforderungen vorgesehen, wo er eine kostengünstige Alternative zu herkömm­ lichen Steckverbindern darstellt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Verbinder an­ zugeben, der die Nachteile der herkömmlichen Verbindungstech­ niken vermeidet.

Die Aufgabe wird durch den unabhängigen Anspruch gelöst.

Der erfindungsgemäße Verbinder weist eine Koplanarleitung auf, durch die die Leiterplatte und das Kabel verbindbar sind. Dabei ist die Koplanarleitung durch zumindest einen Leiter und beidseitig zu dem Leiter bzw. den Leitern angeord­ nete Masseleitungen gegeben und die geometrischen Abmessungen der Koplanarleitung sind so angepasst, dass in jedem Ab­ schnitt der Koplanarleitung im wesentlichen die gleiche Impe­ danz wirkt. Zur Aufnahme der Koplanarleitung ist ein Gehäuse vorgesehen (Anspruch 1). Bei dem erfindungsgemäßen Verbinder wirkt vorteilhaft, dass im Übergangsbereich zwischen Leiter­ platte und Kabel die elektromagnetischen Felder mit Hilfe der Koplanarleitung geführt werden. Durch die Impedanzoptimierung werden Reflexionen und Abstrahlungen von elektromagnetischen Feldern minimiert. Impedanzsprünge, die zu Reflexionen führen könnten, werden vermieden. Zur Schirmung des Verbinders kann das Gehäuse zur Aufnahme der Koplanarleitung metallisiert sein (Anspruch 2). Durch Schirmung mittels eines metallisier­ ten Gehäuses können Abstrahlungen durch Schlitze bzw. Öffnun­ gen, wie sie häufig in herkömmlichen Verbindern vorkommen, vermieden werden. Bei einer möglichen Ausgestaltung handelt es sich bei der Leiterplatte um eine Mehrebenenleiterplatte und das Gehäuse hat die Form eines quaderförmigen Blocks. Das Gehäuse ist zudem mit dem Schirmmantel des Kabels und den Schirmflächen der Leiterplatte elektrisch verbindbar. Zur Kontaktierung von Kabel und Koplanarleitung ist ein Innenlei­ ter des Kabels mit dem Leiter der Koplanarleitung verbindbar. Die Koplanarleitung ist zudem mit auf der Leiterplatte dafür vorgesehenen MicroVias kontaktierbar, wobei die Koplanarleitung und die MicroVias durch Löttechnik miteinander verbind­ bar sind (Anspruch 3). Durch die Kontaktierungen des Gehäuses mit der Leiterplatte sowie dem Schirmmantel des Kabels kann eine vollständige elektrische Schirmung erzielt werden. Durch Anpassung der Breite des Leiters der Koplanarleitung und des Abstands des Leiters zu den Masseleitungen der Koplanarlei­ tung kann ein im wesentlichen konstanter Wert für die Impe­ danz der Koplanarleitung realisiert werden (Anspruch 4). Die Wahl einer Koplanarleitung, um die Leiterplatte mit dem Kabel zu verbinden, ist insofern vorteilhaft, als dass die Breite des Leiters der Koplanarleitung und der Abstand des Leiters der Koplanarleitung zu den Masseleitungen der Koplanarleitung zwei einfach zu variierende Parameter sind. Insbesondere kann die Bandbreite des Leiters der Koplanarleitung für eine effi­ ziente Übertragung passend gewählt werden. Dabei ist die Geo­ metrie der Koplanarleitung relativ einfach, so dass möglicher zusätzlicher Aufwand bei Verwendung von Kabeln mit komplexe­ ren Geometrien, wie sie z. B. bei Variation von Parametern in der zweiten Dimension in der Ebene senkrecht zum Kabel gege­ ben wären, vermieden wird.

Ein Isolierkörper kann zur Montage von Kabel und Leitungs­ stück im Gehäuse vorgesehen sein, und ein weiterer Isolier­ körper zur Befestigung des Gehäuses angebracht werden (An­ spruch 5). Durch die Verwendung von Isolierkörpern kann die mechanische Stabilität des Verbinders verbessert werden. Das Gehäuse und die Leiterplatte sind beispielsweise mittels Löttechnik miteinander verbindbar (Anspruch 6). Bei dem Kabel kann es sich um ein Koaxialkabel handeln, dessen Schirmmantel mit dem Gehäuse durch Löttechnik verbindbar ist (Anspruch 7). Mit Hilfe des Verbinders sind optional mehrere Kabel mittels Koplanarleitungen mit der Leiterplatte verbindbar. In diesem Fall können durch rechnergestützte Optimierung der Abmessun­ gen der Koplanarleitungen die Verbindungen der Kabel mit der Leiterplatte in jedem Abschnitt im wesentlichen die gleiche Impedanz aufweisen (Anspruch 8). Die Verbindung mehrerer Ka­ bel mit einer Leiterplatte bietet weitere Einsatzmöglichkeiten des erfindungsgemäßen Verbinders. Bei der Montage des Verbinders und der Verlötung der einzelnen Teile ist hilf­ reich, wenn sich das Gehäuse aus zwei Segmenten zusammen­ setzt, die vollständig elektrisch leitend verbindbar sind (Anspruch 9). Die Verbindung zwischen dem Kabel und dem Lei­ ter einer Koplanarleitung ist z. B. dadurch realisierbar, dass durch Ausnehmung in dem Leiterstück eine Vertiefung gegeben ist, in der der Innenleiter des Kabels anlötbar ist (Anspruch 10).

In folgenden wird der erfindungsgemäße Verbinder anhand von Ausführungsbeispielen näher beschrieben. Dabei bezeichnen gleiche Bezeichnungen gleiche Elemente. Es zeigen

Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbinders,

Fig. 2 eine dreidimensionale Ansicht eines erfindungsgemäßen Verbinders, bei dem das Gehäuse aus zwei Segmenten besteht,

Fig. 3 einen Querschnitt einer Koplanarleitung zur erfin­ dungsgemäßen Verbindung von Leiterplatte und Kabel,

Fig. 4 eine Draufsicht einer Koplanarleitung zur erfindungs­ gemäßen Verbindung von Leiterplatte und Kabel,

Fig. 5 einen horizontalen Schnitt durch einen erfindungsgemä­ ßen Verbinder, bei dem das Gehäuse aus zwei Segmenten be­ steht,

Fig. 6 einen senkrechten Schnitt durch einen erfindungsgemä­ ßen Verbinder, und

Fig. 7 einen horizontalen Schnitt durch einen erfindungsgemä­ ßen Verbinder, der zwei Kabel mit einer Leiterplatte verbin­ det.

Auf Fig. 1 ist das Gehäuse GE eines erfindungsgemäßen Verb­ inders dargestellt. Um Schirmwirkung zu erzielen ist das Ge­ häuse GE vollständig metallisiert. Mit Hilfe des Verbinders sind ein Koaxialkabel KX und eine Mehrebenenleiterplatte LP miteinander verbunden. Das Koaxialkabel KX ist mit einem Innenleiter IL und mit einem Schirmmantel SM gebildet. Der Schirmmantel SM des Koaxialkabels KX und das Gehäuse GE sind miteinander über die Kontaktfläche SMGE und das Gehäuse GE und die Mehrebenenleiterplatte LP über die Kontaktfläche GELP leitend miteinander verbunden, so dass der Innenbereich des Gehäuses vollständig elektrisch geschirmt ist. Die Verbindun­ gen sind dabei durch Löttechnik realisiert. Wie in Fig. 2 dargestellt, kann das Gehäuse GE aus zwei Segmenten GE1 und GE2 bestehen. Die Zuführung des Koaxialkabels KX erfolgt von der Seite. Die beiden Gehäusesegmente sind an den Nahtstellen NA so miteinander leitend verbunden, dass das Gehäuse GE eine vollständige elektrische Schirmung gewährleistet. Für die Verbindung zwischen Kabel und Mehrebenenleiterplatte LP wird eine Koplanarleitung verwendet. In Fig. 3 ist der Querschnitt und in Fig. 4 eine Draufsicht einer solchen Koplanarleitung gezeigt. Zu dem Leiter LE der Koplanarleitung sind beidseitig Masseleitungen ML angeordnet. Die Leiterbrei­ te W des Leiters LE und der Abstand S des Leiters LE zu den Masseleitungen ML variiert in Abhängigkeit des Abstands zur Mehrebenenleiterplatte LP. Mittels eines Computerprogramms zur Berechnung der elektromagnetischen Felder sind die Werte für die Breite W und den Abstand S des Leiters LE zu den Mas­ seleitungen ML so festgelegt, dass in der Koplanarleitung im wesentlichen in jedem Abschnitt die gleiche Impedanz, bei­ spielsweise 50 Ohm, herrscht.

Die Veränderung der Leiterbreite W des Leiters LE und der Ab­ stands S des Leiters LE zu den Masseleitungen ML ist auch bei dem horizontalen Schnitt durch den erfindungsgemäßen Verbin­ der von Fig. 5 ersichtlich. Das Gehäuse GE besteht aus den beiden Segmenten GE1 und GE2, die wie in Fig. 2 leitend mit­ einander verbunden sind. Der Schirmmantel SM des Koaxialka­ bels KX und die Masseleitung ML der Koplanarleitung sind mit den Gehäusesegmenten GE1 und GE2 zum Zwecke der Schirmung e­ lektrisch vollständig verbunden. Die Kontaktierung der Masseleitung ML und den Gehäusesegmenten GE1 und GE2 erfolgt mit­ tels Oberflächenmontagen-Technik. Der Innenleiter IL des Ko­ axialkabels KX ist mit dem Leiter LE der Koplanarleitung ver­ bunden. Die Verbindung kann z. B. hergestellt werden, indem am zu verbindenden Ende der Koplanarleitung durch Ausfräsung ei­ ne Vertiefung erzeugt wird, in der der Innenleiter IL des Ko­ axialkabels KX angelötet wird. Der Verlauf des Innenleiters IL unter dem Schirmmantel SM ist durch durchbrochene Linien angedeutet. Der Schutzmantel SM des Koaxialkabels ist so mit dem Gehäuse GE verbunden, dass das Koaxialkabel im Austritts­ bereich aus dem Gehäuse GE parallel zur Leiterplatte LP ver­ läuft. Die an das Koaxialkabel anschließende Koplanarleitung läuft zunächst in der Verlängerung des Koaxialkabels eben­ falls parallel, macht in etwa bei dem Ende des Gehäuseseg­ ments GE1 einen Knick und verläuft dann schräg zur Leiter­ platte LP und nach Erreichen der Höhe der Leiterplatte LP wieder parallel bis zum Kontaktierungspunkt. Wie in Fig. 2 angedeutet, ist die Form der beiden Gehäusesegmente GE1, GE2 an den schrägen Verlauf der Koplanarleitung angepasst. Auf den beiden Gehäuseseiten parallel zur Zeichenebene von Fig. 6 verläuft die Nahtlinie zwischen den Gehäusesegmenten GE1 und GE2 oberhalb von dem Leiter LE des Koaxialkabels senk­ recht zur Mehrebenenleiterplatte und parallel zur Begrenzung des Isolierkörpers IK2. Unterhalb der durch den Leiter LE des Koaxialkabels definierten Höhe verläuft die Nahtlinie paral­ lel zum Koaxialleiter, d. h. schräg zur Mehrebenenleiterplat­ te. Auf diese Weise können nach Anbringen des einen Gehäuse­ segments GE1 Bearbeitungsschritte zur Montage des Koaxialka­ bels bzw. der Koplanarleitung stattfinden. Zur Kontaktierung des Leiters LE sowie der Masseleitung ML der Koplanarleitung mit der Mehrebenenleiterplatte LP ist die Mehrebenenleiter­ platte LP mit sogenannten MicroVIAs mVIA versehen. MicroVIAs sind z. B. mit Hilfe von Lasern erzeugte, für die Kontaktie­ rung vorgesehene Vertiefungen auf Mehrebenenleiterplatten LP. Im Gegensatz zu älteren Verfahren betrifft die Vertiefung nur bestimmte Schichten der Mehrebenenleiterplatte LP, d. h. es sind keine Durchkontaktierungen der Mehrebenenleiterplatte LP vorgesehen. Die Kontaktierung von dem Leiter LE und der Mas­ seleitung ML der Koplanarleitung mit der Mehrebenenleiter­ platte LE wird durch auf die Landepads LPD der MicroVIAs mVIA aufgebrachte Lotaugen LT realisiert. Die durchbrochene Linie, deren Endpunkte mit A und A' bezeichnet sind, zeigt die Lage des in Fig. 6 dargestellten senkrechten Schnitts durch den erfindungsgemäßen Verbinder. Die Gehäusesegmente GE1 und GE2 sind miteinander und mit den Schirmflächen SF der Mehrebenen­ leiterplatte LP verlötet. Das aufgebrachte Lot LT ist in Fig. 6 angedeutet. Der Innenleiter IL des Koaxialkabels KX ist außerhalb des Gehäuses GE und in der Umgebung der Eintritt­ stelle in das Gehäuse GE mit einem Schirmmantel SM umgeben und ist mit dem Leiter LE der Koplanarleitung verbunden. Zwi­ schen dem Leiter LE der Koplanarleitung und der Mehrebenen­ leiterplatte LP ist ein Isolierkörper IK1 zur Montage von Ko­ axialkabel KX und Koplanarleitung positioniert. Ein zweiter Isolierkörper IK2 zwischen dem Leiter LE der Koplanarleitung und dem Gehäuse GE dient zur Befestigung des Gehäuses GE. Um Platz für die Kontaktierung von der Koplanarleitung mit der Mehrebenenleiterplatte LP mit Hilfe von Lotaugen LT zur Ver­ fügung zu haben, ist ein Hohlraum HR vorgesehen. Die Lotaugen LT werden für die Kontaktierung auf den Landepads LPD der MicroVIAs mVIA platziert, die mit Leitungen LTG der Mehrebe­ nenleiterplatte LP verbunden sind.

Fig. 7 zeigt einen horizontalen Schnitt durch einen erfin­ dungsgemäßen Verbinder, durch den eine Mehrebenenleiterplatte LP mit zwei Koaxialkabeln KX verbunden ist. Bezeichnungen und Elemente sind analog Fig. 5 gewählt. Die Verbindung zweier Koaxialkabel KX mit einer Mehrebenenleiterplatte LP unter­ scheidet sich von dem vorher beschrieben Ausführungsbeispiel dadurch, dass beide Koaxialkabel KX mit Koplanarleitungen ü­ ber Lotaugen LT auf den Landepads LPD der MicroVias mVIA befestigt sind. Die beiden entkoppelten Koaxialkabel KX gehen in ein verkoppeltes Leiterpaar LE von Koplanarleitungen über, wobei die Leiter LE innerhalb des Gehäuses GE nicht gegenein­ ander abgeschirmt sind. Die Berechnung der Parameter für eine in wesentlichen gleiche Impedanz auf allen Abschnitten der beiden Koplanarleitungen muss die Kopplung zwischen dem Lei­ terpaar LE berücksichtigen. Bei der Optimierung der Leitungs­ impedanz kommt als zusätzlicher Parameter zu den Werten für die Leiterbreite W und den Abstand S der Leiter LE zu den Masseleitungen ML der Abstand zwischen den Leitern LE hinzu. Wie in diesem Beispiel gezeigt, können mit dem erfindungsge­ mäßen Verbinder auch Mehrfachleitungen frequenzoptimiert ange­ schlossen werden. Die Erfindung ist dabei nicht auf Koaxial­ kabelpaare beschränkt. Andere Mehrfachleitungen, wie z. B. Twinax-Leitungen können ebenfalls impedanzoptimiert ange­ schlossen werden.

Claims (8)

1. Verbinder zum Verbinden einer Leiterplatte (LP) und we­ nigstens eines Kabels, wobei der Verbinder eine Koplanarlei­ tung aufweist, durch die die Leiterplatte (LP) und das Kabel verbindbar sind und die Koplanarleitung durch zumindest einen Leiter (LE) und beidseitig zu dem Leiter (LE) bzw. den Lei­ tern (LE) angeordnete Masseleitungen (ML) gegeben ist, dadurch gekennzeichnet,
dass durch Anpassung der Leiterbreite (W) des Leiters (LE) der Koplanarleitung und des Abstands des Leiters (LE) der Koplanarleitung zu den Masseleitungen (ML) der Koplanarlei­ tung in jedem Abschnitt der Koplanarleitung im wesentlichen die gleiche Impedanz wirkt,
dass ein Innenleiter (IL) des Kabels durch Aufnahme in eine Vertiefung des Leiters (LE) mit diesem verbindbar ist, und
ein Gehäuse (GE) zur Aufnahme der Koplanarleitung vorgese­ hen ist.

2. Verbinder nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zum Zwecke der elektrischen Schirmung das Gehäuse (GE) zur Aufnahme der Koplanarleitung metallisiert ist.

3. Verbinder nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei der Leiterplatte (LP) um eine Mehrebenen­ leiterplatte handelt,
dass das Gehäuse (GE) die Form eines quaderförmigen Blocks hat und mit dem Schirmmantel (SM) des Kabels und den Schirm­ flächen (SF) der Leiterplatte (LP) elektrisch verbindbar ist,
dass ein Innenleiter (IL) des Kabels mit dem Leiter (LE) der Koplanarleitung verbindbar ist,
dass die Koplanarleitung mit auf der Leiterplatte (LP) da­ für vorgesehenen MicroVias (mVIA) kontaktierbar ist, und
dass die Koplanarleitung und die MicroVias (mVIA) durch Löttechnik miteinander verbindbar sind.

4. Verbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass ein Isolierkörper (IK1) zur Montage von Kabel und Lei­ tungsstück im Gehäuse (GE) vorgesehen ist, und
dass ein weiterer Isolierkörper (IK2) zur Befestigung des Gehäuses (GE) angebracht ist.

5. Verbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (GE) und die Leiterplatte (LP) mittels Löttechnik miteinander verbindbar sind.

6. Verbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass es sich bei dem Kabel um ein Koaxialkabel (KX) han­ delt, und
dass der Schirmmantel (SM) des Koaxialkabels mit dem Gehäu­ se (GE) durch Löttechnik verbindbar ist.

7. Verbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Kabel mittels Koplanarleitungen mit der Lei­ terplatte (LP) verbindbar sind.

8. Verbinder nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (GE) mit zwei Segmenten (GE1, GE2) gebil­ det ist, die vollständig elektrisch leitend verbindbar sind.