Mikrowellen-Technik - HF- und Mikrowellen-PCB-Signalinjektionsverfahren

Der Prozess der Übertragung von Hochfrequenz-Energie und HF/Mikrowellenplatine von einem Koaxialstecker auf eine Leiterplatte (PCB) wird oft als Signaleinspritzung bezeichnet, und seine Eigenschaften sind schwer zu beschreiben. Die Effizienz der Energieübertragung variiert stark abhängig von der Schaltungsstruktur. Faktoren wie das Leiterplattenmaterial und sein Dicken- und Betriebsfrequenzbereich sowie das Steckerdesign und seine Interaktion mit dem Schaltungsmaterial können die Leistung beeinflussen. Die Leistung kann durch ein Verständnis verschiedener Signaleinspritzungseinstellungen und eine Überprüfung einiger Optimierungsfälle von HF- und Mikrowellensignalverfahren verbessert werden.

Die Erzielung einer effektiven Signaleinspritzung ist designbezogen, und im Allgemeinen ist die Breitbandoptimierung schwieriger als die Schmalbandoptimierung. Im Allgemeinen wird die Hochfrequenz-Einspritzung mit zunehmender Frequenz schwieriger und kann problematischer werden, wenn die Dicke des Schaltungsmaterials zunimmt und die Komplexität der Schaltungsstruktur zunimmt.

Design und Optimierung der Signaleinspritzung

Die Signaleinspritzung vom Koaxialkabel und Stecker in die Microstrip-Leiterplatte ist in Abbildung 1 dargestellt. Die elektromagnetische Feldverteilung (EM) durch Koaxialkabel und Steckverbinder ist zylindrisch, während die EM-Feldverteilung innerhalb einer Leiterplatte planar oder rechteckig ist. Von einem Medium zum anderen ändert sich die Feldverteilung, um sich an die neue Umgebung anzupassen, was zu Anomalien führt. Die Änderung hängt von der Art des Mediums ab; Beispielsweise erfolgt die Signaleinspritzung von koaxialen Kabeln und Steckverbindern zu Mikrostreifen, Erdkoplanarwellenleitern (GCP) oder Streifen. Auch die Art des Koaxialkabelverbinders spielt eine wichtige Rolle.

Abbildung 1. Signaleinspritzung vom Koaxialkabel und Stecker zum Microstrip

Die Optimierung umfasst mehrere Variablen. Das Verständnis der EM-Feldverteilung innerhalb eines Koaxialkabels/Steckverbinders ist nützlich, aber auch die Masseschleife muss als Teil des Ausbreitungsmediums betrachtet werden. Es ist in der Regel hilfreich, einen reibungslosen Impedanzübergang von einem Ausbreitungsmedium zum anderen zu erreichen. Das Verständnis der Kapazität und der induktiven Reaktanz bei den Impedanzkontinuitäten ermöglicht es uns, die Schaltungsleistung zu verstehen. Wenn eine 3D (3D) EM Simulation durchgeführt werden kann, kann die Stromdichteverteilung beobachtet werden. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die praktischen Bedingungen für Strahlenverluste zu berücksichtigen.

Während die Masseschleife zwischen dem Signalsender-Stecker und der Leiterplatte unproblematisch erscheint, ist die Masseschleife vom Stecker zur Leiterplatte sehr kontinuierlich, aber dies ist nicht immer der Fall. Es gibt normalerweise einen kleinen Oberflächenwiderstand zwischen dem Metall des Steckers und der Leiterplatte. Es gibt auch kleine Unterschiede in der elektrischen Leitfähigkeit zwischen den Schweißern, die verschiedene Teile verbinden, und den Metallen in diesen Teilen. Bei niedrigen HF- und Mikrowellenfrequenzen haben diese kleinen Unterschiede normalerweise einen geringen Einfluss, aber bei höheren Frequenzen können sie einen erheblichen Einfluss auf die Leistung haben. Die tatsächliche Länge des Rücklaufweges beeinflusst die Übertragungsqualität, die mit einer bestimmten Kombination von Steckverbindern und Leiterplatten erreicht werden kann.

Wie in Abbildung 2A gezeigt, kann die Masseschleife zurück zum Steckergehäuse für dicke Mikrostreifen-Übertragungsleitungen zu lang sein, da elektromagnetische Energie von den Steckerstiften auf die Signalleitung der Mikrostreifen-Leiterplatte übertragen wird. Die Verwendung von Leiterplattenmaterialien mit hochfrequenten dielektrischen Konstanten kann das Problem verschärfen, indem die elektrische Länge der Masseschleife erhöht wird. Die Wegverlängerung kann frequenzabhängige Probleme verursachen, die zu lokalen Phasengeschwindigkeits- und Kapazitätsunterschieden führen. Beide stehen in Zusammenhang mit der Impedanz in der Transformationsregion und beeinflussen sie, was zu Renditeverlustdifferenzen führt. Idealerweise sollte die Länge der Masseschleife minimiert werden, damit es keine Impedanzanomalie im Signaleinspritzbereich gibt. Beachten Sie, dass der Massepunkt des in Abbildung 2A gezeigten Anschlusses nur am unteren Ende der Schaltung vorhanden ist, und dies ist der schlimmste Fall. Viele HF-Stecker haben Massepunkte auf der gleichen Schicht wie das Signal. In diesem Fall wird die Leiterplatte dort auch mit einem Erdungspad ausgelegt.

Abbildung 2B zeigt einen bodenkoplanaren Wellenleiter zum Mikrostreifensignal-Einspritzschaltkreis. Hier ist der Hauptkörper der Schaltung der Mikrostreifen, aber der Signaleinspritzbereich ist der Erdkoplanarwellenleiter (GCP). Koplanare Emissions-Mikrostreifen sind nützlich, weil sie Erdschleifen minimieren und andere nützliche Eigenschaften haben. Wird ein Stecker mit Massepunkten auf beiden Seiten des Signalleiters verwendet, hat der Abstand der Massepunkte einen erheblichen Einfluss auf die Leistung. Es wurde gezeigt, dass der Abstand den Frequenzgang beeinflusst.

Abbildung 2. Dicker Mikrostreifen-Übertragungsleitungskreis und längerer Erdungsrücklauf zum Stecker (a)

Koplanarer Erdwellenleiter zum Mikrostreifen-Signaleinspritzkreis (b)

In Experimenten mit einem koplanaren Wellenleiter auf Microstrip basierend auf Rogers 10mIL dicken RO4350B Laminaten wurden koplanare Wellenleiterports mit unterschiedlichen Erdabständen, aber ansonsten ähnlichen Steckverbindern verwendet (siehe Abbildung 3). Stecker A hat ein Erdungsintervall von ungefähr 0.030" und Stecker B hat ein Erdungsintervall von 0.064". In beiden Fällen wird der Stecker auf derselben Schaltung emittiert.

Abbildung 3. Testen von koplanaren Wellenleitern an Mikrostreifenschaltungen mit Koaxialsteckverbindern mit ähnlichen Ports mit unterschiedlichen Erdungsintervallen

Die X-Achse ist die Frequenz, 5 GHz pro Raster. Bei niedrigen Mikrowellenfrequenzen (< 5 GHz) ist die Leistung der Schaltung gleich, aber bei Frequenzen höher als 15 GHz verschlechtert sich die Leistung der Schaltung mit einem großen Erdungsintervall. Die Steckverbinder sind ähnlich, obwohl die Stiftdurchmesser der beiden Modelle etwas unterschiedlich sind, hat Stecker B einen größeren Stiftdurchmesser und ist für dickere Leiterplattenmaterialien ausgelegt. Dies kann auch zu Leistungsunterschieden führen.

Eine einfache und effektive Methode zur Optimierung der Signaleinspritzung besteht darin, die Impedanzanpassung im Signalübertragungsbereich zu minimieren. Die Impedanzkurve steigt im Wesentlichen aufgrund einer Zunahme der Induktivität und fällt aufgrund einer Zunahme der Kapazität. Für die dicke Mikrostreifen-Übertragungsleitung in Abbildung 2A (unter Annahme einer niedrigen Dielektrizitätskonstante des Leiterplattenmaterials, etwa 3.6), ist der Leiter breiter oder viel breiter als der Innenleiter des Steckverbinders. Aufgrund des großen Größenunterschieds zwischen der Schaltungsleitung und der Verbindungsleitung gibt es während des Übergangs eine starke kapazitive Mutation. Kapazitive Mutationen können in der Regel reduziert werden, indem die Schaltungsleitung verjüngt wird, um den Größenspalt zwischen ihr und den Koaxialverbindungsstiften zu verringern. Eine Verengung des Leiterplattenleitungs erhöht seine Empfindlichkeit (oder verringert die Kapazität), wodurch kapazitive Mutationen in der Impedanzkurve ausgeglichen werden.

Die Auswirkungen auf unterschiedliche Frequenzen müssen berücksichtigt werden. Längere Gradienten geben mehr Empfindlichkeit für niedrige Frequenzen. Zum Beispiel, wenn die Rücklaufdämpfung bei niedrigen Frequenzen schlecht ist und es einen kapazitiven Impedanzspitz gibt, kann eine längere Gradientenleitung angebracht sein. Umgekehrt wirken sich kürzere Gradienten stärker auf hohe Frequenzen aus.

Bei koplanaren Strukturen erhöht sich die Kapazität, wenn sich benachbarte Erdflächen nähern. Im Allgemeinen wird die Empfindlichkeit des Signaleinspritzbereichs im entsprechenden Frequenzband durch Einstellen des Abstands zwischen der Gradientensignalleitung und der angrenzenden Masse eingestellt. In einigen Fällen sind die benachbarten Erdungspads des koplanaren Wellenleiters entlang eines Abschnitts der Gradientenlinie breiter, um das untere Frequenzband zu regulieren. Dann verengt sich der Abstand am breiteren Teil der Verlaufslinie, und der schmalere Teil ist nicht lang, um das Hochfrequenzband zu beeinflussen. Im Allgemeinen erhöht die Verengung des Drahtgradienten das Empfinden. Die Länge der Gradientenlinie beeinflusst den Frequenzgang. Die Kapazität kann durch Wechsel der benachbarten Erdungspads von koplanaren Wellenleitern geändert werden. Der Abstand zwischen den Pads kann den Frequenzgang verändern, der eine große Rolle bei der Änderung des Kapazitiven spielt.

Die Instanz

Abbildung 4 liefert ein einfaches Beispiel. Abbildung 4A ist eine dicke Mikrostreifenübertragungsleitung mit einem langen und schmalen Gradienten. Die Steigungslinie ist 0,018" (0,46 mm) breit und 0,110" (2,794 mm) lang am Rand der Platte und schließlich wird eine 50­Ï­Linie Breite von 0,064" (1,626 mm) breit. In den Abbildungen 4b und 4c wird die Länge der Steigungslinie kürzer. Feldcrimpklemmen werden verwendet und nicht verschweißt, so dass jeweils der gleiche Innenleiter verwendet wird. Die Mikrostreifenübertragungsleitung ist 2(50,8mm) lang und in einer Dicke (0,76mm) RO43B 50B bearbeitet? Die dielektrische Konstante von Mikrowellenschaltlaminaten beträgt 3.66. In Abbildung 4A repräsentiert die blaue Kurve die Einfügedämpfung (S21), die stark schwankt. Im Gegenteil, S21 in Abbildung 4c weist die geringste Fluktuation auf. Diese Kurven zeigen, dass je kürzer der Verlauf, desto besser die Leistung.

Abbildung 4. Leistung von drei Mikrostreifenschaltungen mit unterschiedlichen Gradientenlinien; Originalausführung mit schmalem Verlauf (a), reduzierter Steigungslänge (b) und weiter reduzierter Steigungslänge (c)

Die vielleicht anschaulichste Kurve in Abbildung 4 zeigt die Impedanz von Kabel, Stecker und Schaltung (grüne Kurve). Die große Vorwärtswelle in Abbildung 4A stellt den Stecker-Port 1 dar, der mit dem Koaxialkabel verbunden ist, und der andere Peak auf der Kurve stellt den Stecker am anderen Ende der Schaltung dar. Die Fluktuation der Impedanzkurve wird durch die Verkürzung der Gradientenlinie reduziert. Die Verbesserung der Impedanzanpassung ist auf die Erweiterung und Verengung der Gradientenlinie im Signaleinspritzbereich zurückzuführen. Die breiteren Steigungen verringern die Sinnlichkeit.

Wir können mehr über die Größe des Einspritzbereichs-Schaltkreises von einem ausgezeichneten Signal-Einspritzdesign 2 erfahren, das auch die gleiche Platte und die gleiche Dicke verwendet. Ein koplanarer Wellenleiter zur Microstrip-Leiterplatte, der die Erfahrung in Abbildung 4 nutzt, liefert bessere Ergebnisse als in Abbildung 4. Die offensichtlichste Verbesserung ist die Eliminierung induktiver Spitzen in der Impedanzkurve, die teilweise auf induktive Spitzen und kapazitive Täler zurückzuführen ist. Durch die Verwendung der richtigen Gradientenlinie wird die Empfindlichkeitsspitze minimiert, während die koplanare Erdungspolsterkupplung der Injektionszone verwendet wird, um die Empfindlichkeit zu erhöhen. Die Insertionsverlustkurve in Fig. 5 ist glatter als die in Fig. 4C und die Return Loss Kurve werden ebenfalls verbessert. Das in Abbildung 4 gezeigte Beispiel zeigt unterschiedliche Ergebnisse für Mikrostreifenschaltungen unter Verwendung von Leiterplattenmaterialien mit Hochfrequenzenergie und HF/Mikrowellen-Leiterplatten-Dielektrizitätskonstanten oder unterschiedlichen Dicken oder für Mikrostreifenschaltungen mit unterschiedlichen Steckertypen.