2019年1月20日，紅星電業(yè)追蹤報(bào)道——隨著應(yīng)用達(dá)到更高的頻率，需要正確的工具來開發(fā)有效的連接器接口。
透明的電路板接口是許多新項(xiàng)目的關(guān)鍵——而你甚至都沒有注意到它。這種連接器到板的接口被稱為電路板“發(fā)射(launc)”，其中RF能量從連接器轉(zhuǎn)換到電路板。圖1顯示了一個(gè)典型的設(shè)計(jì)，在電路板邊緣有2.92毫米接口的40 GHz連接器。
圖1.圖為1:16威爾金森分頻器設(shè)計(jì)，采用了2.92毫米連接器。
對于轉(zhuǎn)向更高頻率(即20 GHz及更高頻率范圍)的設(shè)計(jì)人員來說，將SMA連接器視為集總50Ω元件，并使用標(biāo)準(zhǔn)尺寸機(jī)械地連接到印刷電路板(PCB)將不能滿足需求。對于這些設(shè)計(jì)，現(xiàn)在通常需要使用3D電磁(EM)軟件工具，例如COMSOL提供的工具。
設(shè)計(jì)師可以使用的3D工具
借助多年來可用的3D EM軟件工具，設(shè)計(jì)連接器到板的發(fā)射設(shè)計(jì)變得更加容易。最近微波連接器供應(yīng)商的支持還在增加。
許多微波連接器公司現(xiàn)在提供可以導(dǎo)入3D EM軟件工具的高頻連接器的3D模型。其中一些公司提供的模型只能與特定的3D EM軟件包兼容。收取模型也可能需要付費(fèi)。而另一種方案是，Signal Microwave這種通用的模型，它可用于任何3D EM軟件包。
許多3D解算器包中也提供PCB材料信息。通過提供普通高頻板材料的參考設(shè)計(jì)，Signal Microwave則超越了這一點(diǎn)。這些參考設(shè)計(jì)由Signal Microwave優(yōu)化，采用通用的CAD格式，可以導(dǎo)入許多3D軟件工具中?？蛻艨梢詮倪@些參考設(shè)計(jì)開始，并使用他們自己的軟件工具進(jìn)行評估。然后可以按原樣使用設(shè)計(jì)，或進(jìn)行修改以更好地滿足客戶對最終性能的要求。
對3D模型的需求
在2D電路仿真器中，可以使用S參數(shù)對在高頻下工作的PCB上的組件進(jìn)行建模。而對于同軸連接器到PCB的轉(zhuǎn)換，并不能這樣來處理。連接器中的轉(zhuǎn)換線幾何形狀是同軸的(圓形)。但在板上，這種幾何形狀是平面的。正確建模這兩種轉(zhuǎn)換線類型如何直接相互作用，從而解決轉(zhuǎn)換線模式從同軸到平面變化的復(fù)雜性，需要采用3D EM解算器。
從板材開始設(shè)計(jì)
連接器兼容各種電路板厚度和介電常數(shù)。電路板的目的將決定電路板材料、介電常數(shù)和電介質(zhì)厚度要求等參數(shù)。工業(yè)上用于高頻設(shè)計(jì)的普通電路板材料的厚度范圍為4密耳(0.004英寸)至12密耳(0.012英寸)，相對介電常數(shù)范圍為3.0至3.5?？纯催@些參數(shù)，今天的高頻連接器幾何形狀可以很好地匹配。
在開始實(shí)際設(shè)計(jì)之前，這是一份所需知識的快速清單：
l 板上的組件和功能列表
l 確定要匹配的線寬
l 確定損耗和功率要求
l 選擇轉(zhuǎn)換線結(jié)構(gòu)
l 選擇合適的基材
l 選擇合適的連接器
設(shè)計(jì)實(shí)例
圖2顯示了Signal Microwave公司ELF67-001連接器和8密耳厚度的Rogers RO4003 PCB之間的接地共面波導(dǎo)(GCPW)轉(zhuǎn)換的70-GHz帶寬發(fā)射設(shè)計(jì)。
圖2.本設(shè)計(jì)揭示了70-GHz帶寬發(fā)射設(shè)計(jì)的關(guān)鍵細(xì)節(jié)。
設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素包括：
l 尺寸、位置和間距
l 電路接地間距以匹配連接器
l 可創(chuàng)建50Ω轉(zhuǎn)換線的信號線寬度
l 信號線(錐形)補(bǔ)償，以考慮連接器引腳
如何設(shè)置仿真
圖3顯示了一個(gè)短轉(zhuǎn)換線結(jié)構(gòu)，其中任一側(cè)都有連接器的3D模型。Signal Microwave提供其板載連接器發(fā)射部分的3D模型。COMSOL Multiphysics軟件是一個(gè)3D建模軟件包，其庫中包含許多這些模型以及常見的電路板材料。使用這種結(jié)構(gòu)，可以輕松設(shè)置可用于優(yōu)化電路板設(shè)計(jì)的雙端口仿真模型。
圖3.這是一個(gè)帶有連接器的轉(zhuǎn)換線結(jié)構(gòu)模型，使用COMSOL Multiphysics軟件創(chuàng)建。
在每個(gè)連接器仿真模型兩端創(chuàng)建帶連接器的直通線，并在末尾創(chuàng)建端口，將能夠?qū)崿F(xiàn)可測量的仿真結(jié)構(gòu)。優(yōu)化轉(zhuǎn)換的最有效方法是在要優(yōu)化部分的兩側(cè)定義盡可能接近的端口。這將需要在電路板的轉(zhuǎn)換線中創(chuàng)建端口。
邊緣發(fā)射連接器的內(nèi)導(dǎo)體和外導(dǎo)體之間的區(qū)域填充有電介質(zhì)。這里，該電介質(zhì)是Neoflon，其介電常數(shù)為2.5。所有金屬部件，包括邊緣發(fā)射連接器、GCPW、金屬化過孔和接地平面，都被建模為適用于低頻原型的完美電導(dǎo)體(PEC)。
為了考慮較高頻率下的損耗因子和表面粗糙度，無損PEC條件由轉(zhuǎn)換邊界條件和阻抗邊界條件代替。整個(gè)建模域由散射邊界條件定義，它代表一個(gè)開放空間。
為了使所有域與四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化，所以選擇物理控制的網(wǎng)格;最大元素大小是每個(gè)波長五個(gè)元素，以便波形被很好地解析。最大網(wǎng)格尺寸由介電基板中的材料特性自動縮放。邊緣發(fā)射連接器中的部件采用更精細(xì)的分辨率手動網(wǎng)格化，以提供曲面的良好分辨率。
優(yōu)化連接器到PCB的轉(zhuǎn)換
從同軸電纜到PCB的能量流動如圖4所示。該簡化表示僅顯示轉(zhuǎn)換線空氣部分的能量。大量的能量在襯底中并且從連接器的電介質(zhì)轉(zhuǎn)換到頂部和底部導(dǎo)體之間的襯底。
圖4.該圖說明了從連接器到印刷電路板(PCB)的能量流動。
為了在更高頻率下完全捕獲這種轉(zhuǎn)換的復(fù)雜性，需要用到3D仿真工具。創(chuàng)建模型并設(shè)置端口以測量能量流(S參數(shù))之后，就可以優(yōu)化發(fā)射設(shè)計(jì)。
不連續(xù)源
引腳在信號線上
連接器的引腳為電路板的電氣連接部分增加了電容(再次參見圖4)。如果引腳被焊接，則該電容會增加。因此，不建議焊接。需要調(diào)整PCB連接器接觸的信號線，以減少額外電容的影響(再次參見圖2)。
連接器的接地與PCB接觸
對于GCPW，頂部接地間距可以與連接器的接地接觸點(diǎn)匹配。而微帶線沒有頂部接地。這意味著沒有太多優(yōu)化來提高性能。如果將短GCPW部分添加到微帶線的邊緣，則會創(chuàng)建一個(gè)可以對連接器進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。
最大的不連續(xù)性發(fā)生在連接器的發(fā)射銷和板邊緣之間的部分。為了仿真這一點(diǎn)，TEM模式場在同軸型集總端口、端口1處被激勵(lì)。然后該場通過端口1邊緣發(fā)射連接器傳輸，并激勵(lì)GCPW上的平面模式。共面波導(dǎo)中的對稱電場從中心導(dǎo)體向外限制在每側(cè)和下面的導(dǎo)體上。偵聽器端口(端口2)也由相同類型的同軸集總端口進(jìn)行端接。
需要經(jīng)過培訓(xùn)的軟件操作員
運(yùn)行仿真的人員需要了解RF轉(zhuǎn)換線的基本知識。有了這些知識，人們就可以正確地監(jiān)督實(shí)施，然后監(jiān)督仿真的結(jié)果。該軟件能夠快速、輕松地探索用戶定義的一系列設(shè)計(jì)特征，并為每個(gè)特定的特征組合提供數(shù)據(jù)。
但是，它不能告訴用戶不需要添加設(shè)計(jì)中的功能，或者必須刪除設(shè)計(jì)中的功能。這些決定必須由用戶做出。然后可以修改設(shè)計(jì)以通過仿真進(jìn)行進(jìn)一步分析。通過這種方式，軟件工具可用于識別優(yōu)化設(shè)計(jì)并探索設(shè)計(jì)中的靈敏性。
靈敏性分析
用戶需要了解電路板制造過程中固有的電路板處理技術(shù)和差異。了解制造過程中保持公差的優(yōu)缺點(diǎn)可以指導(dǎo)用戶進(jìn)行靈敏度分析。人們應(yīng)該嘗試使最困難的電路板處理功能在設(shè)計(jì)中最不靈敏。
結(jié)論
項(xiàng)目將受益于精心設(shè)計(jì)的電路板發(fā)射。如果沒有有效且良好的能量轉(zhuǎn)換進(jìn)出電路板，電路板或電路板上的元件的性能就無法正確確定。在測試中，當(dāng)組件由于連接器到板轉(zhuǎn)換性能導(dǎo)致的測試結(jié)果降級而失敗時(shí)，失效會增加。在設(shè)計(jì)驗(yàn)證中，測試結(jié)果的準(zhǔn)確性也會提高。
在性能至關(guān)重要的項(xiàng)目中，可實(shí)現(xiàn)高性能電路板發(fā)射和輸電線路。雖然不是“透明”，但它足夠接近連接器轉(zhuǎn)換不會干擾電路板測量。
