Технология RF цепей - Трубопровод ввода и оптимизации радиочастотного сигнала на печатной плате

Процесс передачи радиочастотной энергии от коаксиального разъема к печатной плате (PCB) часто называют инжекцией сигнала, и его характеристики трудно описать. Эффективность передачи энергии будет сильно различаться в зависимости от структуры схемы. На производительность влияют такие факторы, как материал печатной платы, ее толщина и диапазон рабочих частот, а также конструкция разъема и его взаимодействие с материалами схемы. Производительность может быть улучшена за счет понимания различных настроек подачи сигнала и рассмотрения некоторых вариантов оптимизации методов подачи радиочастотного микроволнового сигнала.

Достижение эффективной подачи сигнала зависит от конструкции, и, как правило, широкополосная оптимизация является более сложной задачей, чем узкополосная. Как правило, высокочастотная подача становится более сложной с увеличением частоты. В то же время, с увеличением толщины материала схемы и усложнением структуры схемы может возникнуть больше проблем.

Проектирование и оптимизация ввода радиочастотного сигнала на печатной плате

Подача сигнала с коаксиальных кабелей и разъемов на микрополосковые печатные платы. Распределение электромагнитного поля по коаксиальным кабелям и разъемам является цилиндрическим, в то время как распределение электромагнитного поля внутри печатной платы является плоским или прямоугольным. При переходе из одной среды распространения в другую распределение поля изменяется, адаптируясь к новым условиям, что приводит к аномалиям. Изменения зависят от типа среды; например, от того, подается ли сигнал с коаксиальных кабелей и разъемов в микрополосковый, заземленный копланарный волновод (GCPW) или полосковый. Тип разъема для коаксиального кабеля также играет важную роль.

Подача сигнала с коаксиальных кабелей и разъемов на микрополосковые

Оптимизация включает в себя несколько переменных. Полезно понимать распределение электромагнитного поля внутри коаксиального кабеля/разъема, но контуры заземления также должны рассматриваться как часть среды распространения. Часто бывает полезно добиться плавного перехода полного сопротивления от одной среды распространения к другой. Понимание емкостного и индуктивного реактивного сопротивления при неоднородностях импеданса позволяет нам понять поведение схемы. Если можно выполнить трехмерное (3D) электромагнитное моделирование, то можно наблюдать распределение плотности тока. Кроме того, лучше всего принимать во внимание практические соображения, касающиеся потерь от излучения.

Хотя может показаться, что контур заземления между разъемом запуска сигнала и печатной платой не является проблемой, при очень непрерывном контуре заземления от разъема к печатной плате это не всегда так. Обычно между металлом разъема и печатной платой имеется небольшое поверхностное сопротивление. Также существуют небольшие различия в электропроводности паяльных цехов и металлов, которыми соединяются различные детали. При более низких ВЧ и СВЧ частотах эти небольшие различия обычно оказывают меньшее влияние, но при более высоких частотах они могут существенно повлиять на производительность. Фактическая длина обратного пути заземления влияет на качество передачи, которое может быть достигнуто при использовании данной комбинации разъемов и печатных плат.

Поскольку энергия электромагнитных волн передается от контактов разъема к сигнальным проводам микрополосковой печатной платы, обратный путь заземления к корпусу разъема может быть слишком длинным для толстых микрополосковых линий передачи. Использование материалов печатной платы с более высокой диэлектрической проницаемостью может усугубить проблему, увеличив электрическую длину контура заземления. Удлинение тракта вызывает проблемы, зависящие от частоты, что приводит к разнице в локальной фазовой скорости и емкости. И то, и другое связано с импедансом в области преобразования и влияет на него, что приводит к разнице в обратных потерях. В идеале длина контура заземления должна быть сведена к минимуму, чтобы не возникало аномалий импеданса в области ввода сигнала. Обратите внимание, что разъем, показанный на рисунке 2а, имеет точку заземления только в нижней части контура, что является наихудшим сценарием. У многих радиочастотных разъемов контакты заземления расположены на том же уровне, что и сигналы. В этом случае на печатной плате также будет предусмотрена площадка заземления.

На рисунке ниже показана схема ввода сигнала от копланарного волновода с заземлением к микрополосковой схеме. Здесь основной частью схемы является микрополосковая схема, но область ввода сигнала представляет собой заземленный копланарный волновод (GCPW). Копланарная эмиссионная микрополоска полезна тем, что она минимизирует контуры заземления и обладает другими полезными свойствами. Если вы используете разъем с контактами заземления по обе стороны сигнального провода, расстояние между контактами заземления оказывает существенное влияние на производительность. Было показано, что это расстояние влияет на частотную характеристику.

Толстая схема микрополосковой линии передачи и длинный путь возврата на землю к разъему (а)

Заземленный копланарный волновод к схеме ввода микрополоскового сигнала (в)

При проведении экспериментов с использованием компланарного волновода на микрополосковой основе на основе ламината Rogers RO4350B толщиной 10 мил использовался соединитель с другим шагом заземления в порту компланарного волновода, но с аналогичными другими деталями. Расстояние между разъемами A и B составляет приблизительно 0,030 дюйма, в то время как расстояние между разъемами B и C составляет 0,064 дюйма. В обоих случаях разъем подключается к одной и той же цепи.

Тестирование копланарных волноводно-микрополосковых схем с использованием коаксиальных разъемов типа портов с различным расстоянием между заземлителями

Ось x представляет частоту с делением на 5 ГГц. При более низкой микроволновой частоте (< 5 ГГц) производительность эквивалентна, но при частоте выше 15 ГГц производительность цепей с большим расстоянием между заземлениями ухудшается. Разъемы аналогичны, хотя диаметры выводов у двух моделей немного отличаются, причем разъем B имеет больший диаметр выводов и предназначен для использования с более толстыми материалами печатных плат. Это также может привести к различиям в производительности.

Простой и эффективный метод оптимизации подачи сигнала заключается в минимизации несоответствия импеданса в области излучения сигнала. Увеличение кривой импеданса в основном связано с добавлением катушек индуктивности, в то время как снижение кривой импеданса связано с добавлением конденсаторов. Для толстых микрополосковых линий передачи (при условии, что материал печатной платы имеет низкую диэлектрическую проницаемость, около 3,6) провода должны быть шире - намного шире, чем внутренний проводник разъема. Из-за большой разницы в размерах между проводами цепи и соединительными проводами при переходе будут наблюдаться сильные скачки емкости. Скачки емкости обычно можно уменьшить, сузив провод схемы, чтобы уменьшить зазор в месте его соединения с контактами коаксиального разъема. Сужение контура печатной платы увеличивает ее индуктивность или уменьшает емкость, тем самым компенсируя скачок емкости на кривой полного сопротивления.

Необходимо учитывать влияние на различные частоты. Более длинные градиентные линии повышают чувствительность к низким частотам. Например, если обратные потери на низких частотах невелики и наблюдается скачок емкостного сопротивления, может подойти более длинная градиентная линия. Напротив, более короткие градиентные линии оказывают большее влияние на высокие частоты.

Для компланарных структур дополнительная емкость добавляется, когда соседние плоскости заземления расположены близко друг к другу. Обычно индуктивность и емкость области ввода сигнала в соответствующем диапазоне частот регулируются путем изменения расстояния между градиентной сигнальной линией и прилегающей землей. В некоторых случаях соседние площадки заземления компланарного волновода на одном участке градиента расширяются для размещения полос низких частот. В этом случае расстояние сужается на более широкой части линии градиента, которая недостаточно длинная, чтобы воздействовать на печатную плату с более высокой частотой. Вообще говоря, сужение градиента в проводе создает новую чувственность. Длина линии градиента влияет на частотную характеристику. Изменение соседних заземляющих контактов в копланарном волноводе может привести к изменению емкости. Причина, по которой расстояние между контактными площадками может изменять частотную характеристику, заключается в том, что изменение емкости играет важную роль.