PCB-Neuigkeiten - Analyse des Verfahrens der PCB-Signaleinspritzung auf die Leiterplatte

The process of transferring high-frequency energy from the coaxial Verbinder to the printed circuit board (PCB) is usually called signal injection, und seine Eigenschaften sind schwer zu beschreiben. Die Effizienz der Energieübertragung variiert stark aufgrund unterschiedlicher Schaltungsstrukturen. Faktoren wie Leiterplattenmaterial und seine Dicke und Betriebsfrequenzbereich, sowie Steckerdesign und seine Interaktion mit Schaltungsmaterialien beeinflussen die Leistung. Durch das Verständnis verschiedener Signaleinspritzungseinstellungen und die Überprüfung einiger Optimierungsfälle von HF- und Mikrowellensignalverfahren, die Leistung kann verbessert werden.

Das Erreichen einer effektiven Signaleinspritzung hängt mit dem Design zusammen. Allgemein, Breitbandoptimierung ist anspruchsvoller als Schmalband. Allgemein, Hochfrequenzspritzung wird schwieriger, wenn die Frequenz steigt, und es kann auch mehr Probleme haben, da die Dicke des Schaltungsmaterials zunimmt und die Komplexität der Schaltungsstruktur zunimmt.
Signal injection design and optimization

The signal injection from the coaxial cable and Verbinder to the microstrip Leiterplatte ist in Abbildung 1 dargestellt. The electromagnetic (EM) field distribution through the coaxial cable and the connector is cylindrical, während die EM-Feldverteilung in der Leiterplatte flach oder rechteckig ist. Von einem Vermehrungsmedium zum anderen, wird sich die Feldverteilung ändern, um sich an die neue Umgebung anzupassen, die zu Anomalien führen. Die Änderung hängt von der Art des Mediums ab; zum Beispiel, ob die Signaleinspritzung von Koaxialkabeln und Steckverbindern auf Microstrip erfolgt, grounded coplanar waveguide (GCPW), oder Streifenlinie. Die Art des Koaxialkabelverbinders spielt auch eine wichtige Rolle.

Optimierung umfasst mehrere Variablen. Es ist nützlich, die EM-Feldverteilung innerhalb des Koaxialkabels zu verstehen/connector, aber die Erdschleife muss auch als Teil des Vermehrungsmediums betrachtet werden. Es ist in der Regel hilfreich, einen reibungslosen Impedanzübergang von einem Ausbreitungsmedium zum anderen zu realisieren. Das Verständnis der kapazitiven und induktiven Reaktanz bei Impedanzkonstinuitäten ermöglicht es uns, das Schaltungsverhalten zu verstehen. If three-dimensional (3D) EM simulation can be performed, die Stromdichteverteilung kann beobachtet werden. Darüber hinaus, Es ist am besten, die tatsächliche Situation im Zusammenhang mit Strahlenverlust zu berücksichtigen.
Obwohl die Masseschleife zwischen dem Signalsender-Stecker und der Leiterplatte möglicherweise kein Problem zu sein scheint, und die Masseschleife vom Stecker zur Leiterplatte ist sehr kontinuierlich, es ist nicht immer der Fall. Es gibt normalerweise einen kleinen Oberflächenwiderstand zwischen dem Metall des Steckers und der Leiterplatte. Es gibt auch einen kleinen Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit der Lötanlage, die die verschiedenen Teile und das Metall dieser Teile verbindet. Bei niedrigen HF- und Mikrowellenfrequenzen, Die Auswirkungen dieser kleinen Unterschiede sind in der Regel gering, aber der Einfluss auf die Leistung ist groß bei höheren Frequenzen. Die tatsächliche Länge des Erdrücklaufweges beeinflusst die Übertragungsqualität, die mit einer gegebenen Steckverbinder- und Leiterplattenkombination erreicht werden kann.

Wie in Abbildung 2a gezeigt, Wenn elektromagnetische Energie von den Steckerstiften auf die Signaldrähte der Microstrip-Leiterplatte übertragen wird, Die Masseschleife zurück zum Steckergehäuse kann für eine dicke Microstrip-Übertragungsleitung zu lang sein. Die Verwendung von Leiterplattenmaterialien with a higher dielectric constant will increase the electrical length of the ground loop, dadurch das Problem verschärft. Wegeerweiterungen können frequenzabhängige Probleme verursachen, was wiederum lokale Phasengeschwindigkeits- und Kapazitätsunterschiede verursachen kann. Beides hängt mit der Impedanz im Transformationsbereich zusammen und beeinflusst diese, was zu einer Differenz im Renditeverlust führt. Idealerweise, Die Länge der Masseschleife sollte so minimiert werden, dass es keine Impedanzanomalie im Signaleinspritzbereich gibt. Bitte beachten Sie, dass der Massepunkt des in Abbildung 2a gezeigten Anschlusses nur unten am Schaltkreis vorhanden ist., und das ist der schlimmste Fall. Viele HF-Stecker haben Massepunkte auf der gleichen Schicht wie das Signal. In diesem Fall, Das Massepad ist auch auf der Leiterplatte entworfen.
Abbildung 2b zeigt den geerdeten koplanaren Wellenleiter zum Mikrostreifen-Signaleinspritzkreis. Hier, Der Hauptkörper der Schaltung ist Microstrip, but the signal injection area is grounded coplanar waveguide (GCPW). Der koplanare Emissions-Mikrostreifen ist nützlich, da er Erdschleifen minimiert und andere nützliche Eigenschaften hat. Wenn Sie einen Stecker mit Massepunkten auf beiden Seiten des Signalkabels verwenden, Der Abstand der Massepunkte hat einen erheblichen Einfluss auf die Leistung. Es hat sich gezeigt, dass dieser Abstand den Frequenzgang beeinflusst.

Beim Experimentieren mit einem koplanaren Wellenleiter auf Microstrip Microstrip basierend auf Rogers 10mil dickem RO4350B Laminat wurde ein Stecker mit einem anderen Erdungsabstand zwischen dem koplanaren Wellenleiter Port und anderen Teilen verwendet (siehe Abbildung 3). Die Erdungstrennung von Stecker A ist ungefähr 0.030", und die Erdungstrennung von Stecker B ist 0.064". In beiden Fällen überträgt der Stecker auf die gleiche Schaltung.

Die x-Achse repräsentiert die Frequenz, 5 GHz pro Division. When the microwave frequency ist niedriger (< 5 GHz), die Leistung gleichwertig ist, aber wenn die Frequenz höher als 15 GHz ist, die Leistung des Schaltkreises mit größerer Erdung wird schlechter. Die Anschlüsse sind ähnlich, Obwohl die Stiftdurchmesser der beiden Modelle leicht unterschiedlich sind, Der Stiftdurchmesser des Steckers B ist größer und ist für dickere Leiterplattenmaterialien. Dies kann auch zu Leistungsunterschieden führen.
Eine einfache und effektive Methode zur Optimierung der Signaleinspritzung besteht darin, die Impedanzanpassung im Signalübertragungsbereich zu minimieren. Die Erhöhung der Impedanzkurve ist im Wesentlichen auf die Zunahme der Induktivität zurückzuführen, während die Abnahme der Impedanzkurve auf die Erhöhung der Kapazität zurückzuführen ist. For the thick microstrip transmission line shown in Figure 2a (assuming that the dielectric constant of the Leiterplattenmaterial is low, ca. 3.6), Der Draht ist breiter – viel breiter als der Innenleiter des Verbinders. Aufgrund des großen Unterschieds in der Größe des Schaltungsdrahts und des Steckerdrahts, Eine starke kapazitive Mutation tritt während des Übergangs auf. Es ist normalerweise möglich, die kapazitive Mutation zu reduzieren, indem der Schaltungsdraht schrittweise verjüngt wird, um den Größenspalt zu verringern, der an der Stelle gebildet wird, an der er mit dem Stift des Koaxialanschlusses verbunden ist. Einschränkung der Leiterplattendraht will increase its inductance (or decrease its capacitance, um die kapazitive Mutation in der Impedanzkurve auszugleichen.
Die Auswirkungen auf unterschiedliche Frequenzen müssen berücksichtigt werden. Längere Abstufungslinien sind empfindlicher für Niederfrequenzproduktion. Zum Beispiel, wenn die Rücklaufdämpfung bei niedrigen Frequenzen schlecht ist und gleichzeitig eine kapazitive Impedanzspitze auftritt, Es ist besser, eine längere Verlaufslinie zu verwenden. Umgekehrt, Eine kürzere Gradientenlinie wirkt sich stärker auf hohe Frequenzen aus.

Für koplanare Strukturen, Die Kapazität erhöht sich, wenn benachbarte Masseebenen nahe sind. Normalerweise, Die induktive Kapazität des Signaleinspritzbereichs wird im entsprechenden Frequenzband eingestellt, indem der Abstand zwischen der graduellen Signalleitung und der angrenzenden Masseebene angepasst wird. In einigen Fällen, Die benachbarten Massepads des koplanaren Wellenleiters sind breiter auf einem Abschnitt der konischen Linie, um das untere Frequenzband einzustellen. Dann, Die Tonhöhe wird im breiteren Teil der Abstufungslinie schmaler, und die Länge des schmaleren Teils ist nicht lang, um das höhere Frequenzband zu beeinflussen. Im Allgemeinen, Die Verengung des Drahtgradienten erhöht die Empfindlichkeit. Die Länge der Gradientenlinie beeinflusst den Frequenzgang. Das Ändern der benachbarten Massepads des koplanaren Wellenleiters kann die Kapazität ändern. Der Padabstand kann den Frequenzgang ändern, die eine wichtige Rolle bei der Änderung der Kapazität spielt.
Instance

Figure 4 provides a simple example. Abbildung 4a ist eine dicke Mikrostreifenübertragungsleitung mit langen und schmalen konischen Linien. Die Verlaufslinie ist 0.018" (0.46 mm) wide at the edge of the board, 0.110" (2.794 mm) long, und schließlich wird eine 50 Ω Linienbreite 0.064" (1.626 mm) wide. In den Abbildungen 4b und 4c, die Länge der Verlaufslinie Verkürzt. Der feldcrimpbare Klemmstecker ist ausgewählt und nicht gelötet, so wird jeweils der gleiche Innenleiter verwendet. The microstrip transmission line is 2" (50.8 mm) long and is processed in a 30mil (0.76 mm) thick RO4350B? Mikrowellenkreislauf Auf dem Laminat, die dielektrische Konstante ist 3.66. In Abbildung 4a, the blue curve represents the insertion loss (S21), die stark schwankt. Im Gegensatz dazu, S21 in Abbildung 4c weist die geringsten Schwankungen auf. Diese Kurven zeigen, dass je kürzer die Verlaufslinie, je höher die Leistung.

Die vielleicht anschaulichste Kurve in Abbildung 4 zeigt die Impedanz des Kabels, connector, and circuit (green curve). Der große Vorwärtswellenspitze in Abbildung 4a stellt den Anschluss 1 dar, der mit dem Koaxialkabel verbunden ist, und der andere Peak auf der Kurve repräsentiert den Stecker am anderen Ende der Schaltung. Die Fluktuation der Impedanzkurve wird durch die Verkürzung der allmählichen Veränderungslinie reduziert. Die Verbesserung der Impedanzanpassung liegt daran, dass die Abstufungslinie im Signaleinspritzbereich breiter und schmaler wird; die breitere Gradationslinie reduziert die Induktivität.
Wir können mehr über die Schaltungsgröße des Einspritzbereichs von einem ausgezeichneten Signalinjektionsdesign erfahren 2. Diese Schaltung verwendet auch die gleiche Platine und die gleiche Dicke. Ein koplanarer Wellenleiter zum Mikrostreifenkreis, durch Nutzung der Erfahrungen aus Abbildung 4, eine bessere Wirkung als Abbildung 4. Die offensichtlichste Verbesserung ist die Beseitigung der induktiven Spitzen in der Impedanzkurve. In der Tat, Dies wird durch induktive Spitzen und kapazitive Täler verursacht. Verwenden Sie die richtige Gradientenlinie, um die induktive Spitze zu minimieren, und verwenden Sie die koplanare Erdungspolsterkupplung im Einspritzbereich, um die Induktivität zu erhöhen. Die Einfügedämpfungskurve von Abbildung 5 ist glatter als die von Abbildung 4c, und die Renditeverlustkurve wird auch verbessert. Für Mikrostreifenschaltungen mit Leiterplattenmaterialien with higher dielectric constants or different thicknesses, oder Mikrostreifenschaltungen mit verschiedenen Steckertypen, Die Ergebnisse des Beispiels in Abbildung 4 sind unterschiedlich.
Signaleinspritzung ist ein sehr komplexes Problem, von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst. Dieses Beispiel und diese Richtlinien sollen Designern helfen, die grundlegenden Prinzipien zu verstehen.