Technique RF - Méthode d'injection de signaux PCB RF et micro - ondes

Le processus de transfert d'énergie haute fréquence et RF / micro - ondes PCB d'un connecteur coaxial à une carte de circuit imprimé (PCB) est souvent appelé injection de signal et ses caractéristiques sont difficiles à décrire. L'efficacité du transfert d'énergie varie considérablement en fonction de la structure du circuit. Des facteurs tels que le matériau de la carte PCB, son épaisseur et sa plage de fréquences de fonctionnement, ainsi que la conception du connecteur et son interaction avec le matériau du circuit peuvent affecter les performances. Les performances peuvent être améliorées en comprenant les différents paramètres d'injection de signal et en examinant quelques cas d'optimisation des méthodes d'injection de Signal RF et micro - ondes.

La réalisation d'une injection de signal efficace est liée à la conception, et souvent, l'optimisation à large bande est plus difficile que l'optimisation à bande étroite. D'une manière générale, l'implantation haute fréquence devient plus difficile avec l'augmentation de la fréquence et peut devenir plus problématique avec l'augmentation de l'épaisseur du matériau du circuit et l'augmentation de la complexité de la structure du circuit.

Conception et optimisation d'injection de signal

L'injection du signal depuis le câble coaxial et le connecteur vers le PCB microruban est représentée sur la figure 1. La distribution du champ électromagnétique (EM) à travers les câbles coaxiaux et les connecteurs est cylindrique, tandis que la distribution du champ em à l'intérieur du PCB est plane ou rectangulaire. D'un milieu à l'autre, la distribution du champ change pour s'adapter au nouvel environnement, ce qui entraîne des anomalies. Les variations dépendent du type de milieu; Par example, l'injection de signal va du câble coaxial et du connecteur à la microbande, au Guide d'onde coplanaire à la masse (GCP) ou à la bande. Le type de connecteur de câble coaxial joue également un rôle important.

Figure 1. Injection de signaux depuis les câbles coaxiaux et les connecteurs vers les microbandes

L'optimisation implique plusieurs variables. Il est utile de connaître la répartition du champ électromagnétique au sein du câble / connecteur coaxial, mais la boucle de terre doit également être considérée comme faisant partie du milieu de propagation. Contribue généralement à réaliser une transition d'impédance lisse d'un milieu de propagation à un autre. La connaissance de la capacité et de l'inductance à la discontinuité d'impédance nous permet de comprendre les performances du circuit. Si une simulation em 3D (3d) peut être effectuée, la distribution de densité de courant peut être observée. En outre, il est souhaitable de tenir compte des conditions réelles relatives aux pertes de rayonnement.

Bien que la boucle de mise à la terre entre le connecteur émetteur de signal et le PCB ne semble pas poser de problème, la boucle de mise à la terre du connecteur vers le PCB est très continue, ce qui n'est pas toujours le cas. Il existe généralement une faible résistance de surface entre le métal du connecteur et le PCB. Il existe également une petite différence de conductivité entre le soudeur qui relie les différentes pièces et le métal dans ces pièces. À des fréquences RF et micro - ondes inférieures, ces petites différences ont généralement un impact mineur, mais à des fréquences plus élevées, elles peuvent avoir un impact significatif sur les performances. La longueur réelle du chemin de retour affecte la qualité de transmission qu'une combinaison donnée de connecteurs et de PCB peut atteindre.

Comme représenté sur la Figure 2A, la boucle de retour à la terre du boîtier du connecteur peut être trop longue pour une ligne de transmission microruban épaisse, car l'énergie électromagnétique est transférée des broches du connecteur vers les broches de signal du PCB microruban. L'utilisation d'un matériau PCB avec une constante diélectrique haute fréquence augmente la longueur électrique de la boucle de terre, ce qui aggrave le problème. L'extension du chemin peut entraîner des problèmes liés à la fréquence, entraînant des différences locales de vitesse de phase et de capacité. Les deux sont liés à l'impédance dans la zone transformée et vont l'influencer, ce qui entraîne une différence de perte de retour. Idéalement, la longueur de la boucle de terre doit être minimisée pour qu'il n'y ait pas d'anomalie d'impédance dans la zone d'injection du signal. On notera que le point de masse du connecteur représenté sur la Figure 2A n'existe qu'en bas du circuit, ce qui est le pire des cas. De nombreux connecteurs RF ont des broches de terre sur la même couche que le signal. Dans ce cas, le PCB y concevra également un tapis de terre.

La figure 2B montre un guide d'onde coplanaire à la masse vers un circuit d'injection de signal microbande. Ici, le corps du circuit est une microbande, mais la zone d'injection du signal est un guide d'onde coplanaire à la masse (GCP). Les microbandes d'émission coplanaires sont utiles car elles minimisent la boucle de mise à la terre et présentent d'autres caractéristiques utiles. Si le connecteur est utilisé avec les broches de mise à la terre des deux côtés de la broche de signal, l'espacement des broches de mise à la terre peut avoir un impact significatif sur les performances. Des études ont montré que la distance affecte la réponse en fréquence.

Figure 2: Circuit de ligne de transmission microruban épais et boucle de masse plus longue au connecteur (A)

Guide d'onde coplanaire à la masse vers circuit d'injection de signal microbande (b)

Dans une expérience de guide d'onde coplanaire en microruban basée sur un stratifié Rogers ro4350b de 10 mil d'épaisseur, on a utilisé des ports de guide d'onde coplanaire avec des connecteurs avec des pas de masse différents mais similaires par ailleurs (voir figure 3). Le pas de masse du connecteur a est d'environ 0030 "et celui du connecteur B est de 0064". Dans les deux cas, le connecteur émet sur le même circuit.

Figure 3. Test d'un guide d'onde coplanaire à un circuit microruban à l'aide d'un connecteur coaxial avec des ports similaires avec des intervalles de masse différents

L'axe X est la fréquence, 5 GHz par maille. Les performances des circuits sont les mêmes à basse fréquence micro - ondes (< 5 GHz), mais se dégradent à des fréquences supérieures à 15 GHz pour les circuits avec de grands intervalles de mise à la terre. Les connecteurs sont similaires, bien que les deux modèles aient un diamètre de broche légèrement différent, le connecteur B a un diamètre de broche plus grand et est conçu pour les matériaux de PCB plus épais. Cela peut également entraîner des différences de performance.

Un moyen simple et efficace d'optimiser l'injection de signal consiste à minimiser les désadaptations d'impédance dans la zone de transmission du signal. La courbe d'impédance augmente essentiellement en raison de l'augmentation de l'inductance et diminue en raison de l'augmentation de la capacité. Pour la ligne de transmission microruban épaisse représentée sur la Figure 2A (en supposant que la permittivité du matériau PCB soit de l'ordre de 3,6), le conducteur est plus large et beaucoup plus large que le conducteur interne du connecteur. Il y a de fortes mutations capacitives pendant la transition en raison de la grande différence de taille entre les fils de circuit et les fils de connecteur. Les mutations capacitives peuvent généralement être réduites en amincissant les fils du circuit, réduisant ainsi l'écart dimensionnel entre ceux - ci et les broches du connecteur coaxial. Réduire les fils PCB augmentera leur sensibilité (ou réduira leur capacité, annulant ainsi les mutations de capacité dans la courbe d'impédance).

Les effets sur les différentes fréquences doivent être pris en compte. Plus le gradient est long, plus les basses fréquences sont sensibles. Par example, si les pertes de retour sont mauvaises à basse fréquence et qu'il y a des pics d'impédance Capacitive, une ligne de gradient plus longue peut convenir. Inversement, les gradients plus courts ont un effet plus important sur les hautes fréquences.

Pour les structures coplanaires, la capacité augmente lorsque les surfaces de masse adjacentes sont proches. Typiquement, la sensibilité de la zone d'injection du signal est ajustée dans la bande de fréquence correspondante en ajustant l'espacement entre les lignes de signal de gradient et la masse adjacente. Dans certains cas, les plots de masse adjacents du Guide d'onde coplanaire sont plus larges le long d'un tronçon de la ligne de gradient pour ajuster la bande de fréquence inférieure. L'espacement se rétrécit alors dans la partie la plus large de la ligne de gradient, tandis que la partie la plus étroite n'est pas longue, affectant ainsi la bande haute. En général, le rétrécissement du gradient de fil augmente la sensation. La longueur de la ligne de gradient affecte la réponse en fréquence. La capacité peut être modifiée en faisant varier les plots de masse adjacents du Guide d'onde coplanaire. L'espacement entre les Plots peut modifier la réponse en fréquence, ce qui joue un rôle important dans la variation de la capacité.

Exemples

La figure 4 en donne un exemple simple. La figure 4A est une ligne de transmission microruban épaisse à gradient étroit et long. La ligne de gradient du bord de la plaque a une largeur de 0018 "(0,46 mm) et une longueur de 0110" (2794 mm), Enfin, il devient 0064 "(1626 mm) de large pour une largeur de ligne de 50? Dans les figures 4b et 4c, la longueur de la ligne de gradient devient plus courte. On a utilisé des connecteurs de bornes sertis sur site au lieu de souder, de sorte que le même conducteur interne est utilisé dans chaque cas. La ligne de transmission microruban est de 2" (50,8 mm) de long et est traitée à 30 mil (0,76 mm) d'épaisseur ro4350b? La constante diélectrique du stratifié de circuit micro - ondes est de 3,66. Sur la figure 4a, la courbe bleue représente les pertes d'insertion (s21) qui fluctuent fortement. A l'inverse, s21 sur la figure 4c a un minimum de fluctuations. Ces courbes montrent que plus le gradient est court, meilleures sont les performances.

Figure 4. Les performances du circuit microruban pour trois lignes de gradient différentes; Conception originale (c) avec pente étroite (A), longueur de pente réduite (b) et longueur de pente encore réduite

Peut - être la courbe la plus illustrative de la figure 4 montre l'impédance des câbles, des connecteurs et des circuits (courbe verte). La grande onde directe de la figure 4A représente le port de connecteur 1 connecté au câble coaxial et un autre pic sur la courbe représente le connecteur à l'autre extrémité du circuit. Les fluctuations dans la courbe d'impédance sont réduites par un raccourcissement de la ligne de gradient. L'amélioration de l'adaptation d'impédance est due à l'élargissement et au rétrécissement des lignes de gradient dans la zone d'injection du signal. Une pente plus large réduit la sensualité.

Nous pouvons en savoir plus sur les dimensions du circuit de la zone d'injection de l'excellente conception d'injection de signal 2, qui utilise également la même carte et la même épaisseur. En utilisant l'expérience de la figure 4, la connexion d'un guide d'onde coplanaire à une carte microruban permet d'obtenir de meilleurs résultats que ceux de la figure 4. L'amélioration la plus évidente est l'élimination des pics d'inductance dans la courbe d'impédance, qui sont en fait en partie dus aux pics d'inductance et aux vallées de capacité. L'utilisation de lignes de gradient correctes vise à minimiser les pics de sensibilité tout en augmentant la sensibilité à l'aide d'un couplage coplanaire des plots de masse de la zone d'injection. La courbe de perte d'insertion de la figure 5 est plus lisse que celle de la figure 4C et améliore également la courbe de perte de retour. L'exemple illustré sur la figure 4 montre différents résultats avec des circuits microruban à énergie haute fréquence et permittivité RF / micro - ondes PCB ou avec des matériaux PCB d'épaisseurs différentes, ou avec des circuits microruban de types de connecteurs différents.