射頻信號從SMA頭接入PCB方法

2016-12-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

從同軸電纜和連接器到微帶PCB 的信號注入如圖1 所示。穿過同軸電纜和連接器的電磁(EM)場分布呈圓柱形,而PCB 內(nèi)的EM 場分布則是平面或矩形。從一種傳播介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì),場分布會改變以適應(yīng)新環(huán)境,從而產(chǎn)生異常。改變?nèi)Q于介質(zhì)類型;例如,信號注入是從同軸電纜和連接器到微帶、接地共面波導(dǎo)(GCPW),還是帶線。同軸電纜連接器的類型也起著重要作用。

圖1. 從同軸電纜和連接器到微帶的信號注入。

優(yōu)化涉及幾個變量。了解同軸電纜/ 連接器內(nèi)EM 場分布很有用,但還必須將接地回路視為傳播介質(zhì)的一部分。它對實現(xiàn)從一種傳播介質(zhì)到另一種傳播介質(zhì)的平穩(wěn)阻抗轉(zhuǎn)變通常是有幫助的。了解阻抗不連續(xù)點處的容抗和感抗讓我們能夠理解電路表現(xiàn)。如果能夠進(jìn)行三維(3D)EM 仿真,就可以觀察到電流密度分布。此外,最好將與輻射損耗有關(guān)的實際情況也考慮其中。

雖然信號發(fā)射連接器和PCB 之間的接地回路可能看上去不成問題,從連接器到PCB的接地回路非常連續(xù),但并不總是如此。連接器的金屬和PCB 之間通常存在著很小的表面電阻。連接不同部件的焊店和這些部件的金屬的電導(dǎo)率也有很小的差異。在RF 和微波頻率較低時,這些小差異的影響通常較小,但是頻率較高時對性能的影響很大。地回流路徑的實際長度會影響利用給定的連接器和PCB 組合能夠?qū)崿F(xiàn)的傳輸質(zhì)量。

如圖2a 所示,在電磁波能量從連接器引腳傳遞到微帶PCB 的信號導(dǎo)線時,回到連接器外殼的接地回路對于厚微帶傳輸線來說可能會太長。采用介電常數(shù)較高的PCB材料會增加接地回路的電長度,從而使問題惡化。通路延長會引發(fā)具有頻率相關(guān)性的問題,進(jìn)而產(chǎn)生局部的相速和電容差異。二者都與變換區(qū)內(nèi)的阻抗相關(guān),并且會對其產(chǎn)生影響,從而產(chǎn)生回波損耗差異。理想情況下,接地回路的長度應(yīng)最小化,使得信號注入?yún)^(qū)不存在阻抗異常。請注意,圖2a 所示之連接器的接地點只存在于電路底部,而這是最糟糕的情況。很多RF 連接器的接地引腳與信號在同一層。這種情況下,PCB 上也會設(shè)計接地焊盤在那里。

圖2b 展示了接地共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶信號注入電路,在這里,電路的主體是微帶,但信號注入?yún)^(qū)是接地共面波導(dǎo)(GCPW)。共面發(fā)射微帶很有用,因為它能夠?qū)⒔拥鼗芈纷钚』?并且還具有其它有用特性。如果使用信號導(dǎo)線兩邊均有接地引腳的連接器,那么接地引腳間距對性能有重大影響。已經(jīng)證明該距離影響頻率響應(yīng)。

圖2. 厚微帶傳輸線電路和較長的到連接器的地回流路徑(a)接地共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶的信號注入電路(b)。

在利用基于羅杰斯公司10mil 厚RO4350B 層壓板的共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶微帶進(jìn)行實驗時,使用了共面波導(dǎo)口接地間距不同,但其他部分類似的連接器(見圖3)。連接器A 的接地間隔約為0.030",而連接器B 的接地間隔為0.064"。這兩種情況下,連接器發(fā)射到同一電路上。

圖3. 利用具有不同接地間隔的類似端口的同軸連接器測試共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶電路。

x 軸表示頻率,每格5 GHz。微波頻率較低(< 5 GHz)時,性能相當(dāng),但頻率高于15 GHz 時,接地間隔較大的電路性能變差。連接器類似,雖然這2 種型號的引腳直徑稍有不同,連接器B 的引腳直徑較大并且設(shè)計用于較厚的PCB 材料。這也可能會導(dǎo)致性能差異。

簡單且有效的信號注入優(yōu)化方法就是將信號發(fā)射區(qū)內(nèi)的阻抗失配最小化。阻抗曲線上升基本上是由于電感增加,而阻抗曲線下降則是因為電容增加。對于圖2a 所示之厚微帶傳輸線(假設(shè)PCB 材料的介電常數(shù)較低,約為3.6),導(dǎo)線較寬- 比連接器的內(nèi)導(dǎo)體寬得多。由于電路導(dǎo)線和連接器導(dǎo)線的尺寸差異較大,所以轉(zhuǎn)變時會出現(xiàn)很強的容性突變。通?？梢酝ㄟ^將電路導(dǎo)線逐漸變細(xì)以便減小它與同軸連接器引腳連接的地方形成的尺寸差距,來減小容性突變。將PCB導(dǎo)線變窄會增加它的感性(或者降低容性,從而抵消阻抗曲線內(nèi)的容性突變。

必須考慮對不同頻率的影響。較長的漸變線會對低頻產(chǎn)更強的感性。例如,如果在低頻回?fù)p較差,同時有一個容性阻抗尖峰,此時使用較長的漸變線就比較合適。反之,較短的漸變線對高頻的作用就比較大。

對于共面結(jié)構(gòu),相鄰接地面靠近時會增加電容。通常,通過對漸變信號線和相鄰接地面間隔大小的調(diào)節(jié),來在相應(yīng)頻段調(diào)節(jié)信號注入?yún)^(qū)的感性容性。某些情況下,共面波導(dǎo)的相鄰接地焊盤在漸變線的一段上較寬,以調(diào)節(jié)較低的頻段。然后,間距在漸變線較寬的部分變窄,變窄的部分長度不長,以影響較高頻段。一般來說,導(dǎo)線漸變線變窄會增加感性。漸變線的長度影響頻率響應(yīng)。改變共面波導(dǎo)的鄰近接地焊盤能夠改變?nèi)菪?焊盤間距之所以能夠改變頻響,其中對容性的改變起了主要作用。

圖4 提供了一個簡單實例。圖4a 是一根具有狹長漸變線的粗微帶傳輸線。漸變線在板邊處寬0.018"(0.46 mm),長0.110"(2.794 mm),最后變成了寬0.064"(1.626 mm)的50 Ω 線寬。在圖4b 和4c 中,漸變線的長度變短。選用了現(xiàn)場可壓接終端連接器,未焊接,所以每種情況均使用同一內(nèi)導(dǎo)體。微帶傳輸線長2"(50.8 mm),加工在厚30mil(0.76 mm)的RO4350B ?微波電路層壓板上,介電常數(shù)為3.66。在圖4a 中,藍(lán)色曲線代表插入損耗(S21),波動很多。相反,圖4c 內(nèi)S21 的波動數(shù)量最少。這些曲線表明,漸變線越短,性能越高。

圖4. 3 個具有不同漸變線的微帶電路的性能;具有狹長漸變線的原始設(shè)計(a)、減小漸變線的長度(b)和漸變線的長度進(jìn)一步減小(c)。

也許圖4 中最能說明問題的曲線表明了電纜、連接器和電路的阻抗(綠色曲線)。圖4a 中大的正向波峰代表連接著同軸電纜的連接器端口1,曲線上的另一個峰代表電路另一端的連接器。阻抗曲線上的波動由于漸變線的縮短而減小。阻抗匹配的改善是因為信號注入?yún)^(qū)的漸變線變寬,變窄;變寬的漸變線降低了感性。

我們能夠從一個優(yōu)秀的信號注入設(shè)計2 中了解更多注入?yún)^(qū)域電路尺寸的信息,這個電路也使用同樣的板材和同樣的厚度。一個共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶電路,通過利用圖4 的經(jīng)驗,產(chǎn)生了比圖4 更好的效果。最明顯的改善是消除了阻抗曲線中的感性峰,事實上,這是部分感性峰和容性谷造成的。使用正確的漸變線是感性峰降到最低,同時使用注入?yún)^(qū)的共面接地焊盤耦合來增加感性。圖5 的插入損耗曲線比圖4c 平滑,回波損耗曲線也有所改善。對于采用介電常數(shù)較高或厚度不同的PCB 材料的微帶電路或者采用不同類型的連接器的微帶電路,圖4 所示實例的結(jié)果不同。

信號注入是一個很復(fù)雜的問題,受很多不同因素的影響。

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