L'actualité PCB - Analyse de la méthode d'injection de signal PCB pour carte de circuit imprimé

Le processus de transmission de l'énergie haute fréquence 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 raison des différentes structures de 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 grâce à la compréhension des différents paramètres d'injection de signal et à l'examen de certains cas d'optimisation des méthodes d'injection de signaux RF et micro - ondes.

La réalisation d'une injection de signal efficace est liée à la conception. En général, l'optimisation à large bande est plus difficile que la bande étroite. En général, l'injection haute fréquence devient plus difficile à mesure que la fréquence augmente, et d'autres problèmes peuvent également survenir à mesure que l'épaisseur du matériau du circuit augmente et que la complexité de la structure du circuit augmente.

L'injection du signal depuis le câble coaxial et le connecteur vers la carte 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 dans les PCB est plate ou rectangulaire. D'un milieu de propagation à un autre, la distribution du champ changera pour s'adapter au nouvel environnement, ce qui entraînera des anomalies. Les variations dépendent du type de milieu; Par exemple, l'injection de signal va du câble coaxial et du connecteur à la microbande, au Guide d'onde coplanaire à la Terre (gcpw) ou à la ligne à ruban. Le type de connecteur de câble coaxial joue également un rôle important.

L'optimisation comprend plusieurs variables. Il est utile de connaître la distribution du champ em au sein du câble / connecteur coaxial, mais la boucle de terre doit également être considérée comme faisant partie du support de propagation. Il est souvent utile de réaliser une conversion d'impédance lisse d'un milieu de propagation à un autre. Comprendre la tolérance et la sensibilité aux discontinuités d'impédance nous permet de comprendre le comportement du circuit. Si une simulation em tridimensionnelle (3d) est possible, on observe une distribution de densité de courant. De plus, il est préférable de tenir compte de la situation réelle liée aux pertes de rayonnement, bien que la boucle de mise à la terre entre le connecteur émetteur de signaux et le PCB ne semble pas poser de problème et que la boucle de mise à la terre du connecteur vers le PCB soit très continue, ce 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 de petites différences dans la conductivité électrique des différents métaux avec lesquels les ateliers de soudage connectent les différentes pièces et ces pièces. L'impact de ces petites différences est généralement faible aux basses fréquences RF et micro - ondes, mais important aux fréquences plus élevées. La longueur réelle de la boucle de mise à la terre affectera la qualité de transmission qui peut être obtenue avec une combinaison donnée de connecteur et de PCB.

Comme représenté sur la Figure 2A, lorsque l'énergie électromagnétique est transmise des broches du connecteur à la ligne de signal du PCB microruban, la boucle de retour à la masse du boîtier du connecteur peut être trop longue pour une ligne de transmission microruban épaisse. L'utilisation d'un matériau PCB avec une constante diélectrique plus élevée augmentera la longueur électrique de la boucle de terre, aggravant ainsi le problème. L'extension du chemin peut entraîner des problèmes liés à la fréquence, ce qui entraîne des différences locales de vitesse de phase et de capacité. Les deux sont liés à l'impédance de 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 plot de terre est également conçu sur le PCB. La figure 2B montre un guide d'onde coplanaire mis à la terre 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 (gcpw). La microbande d'émission coplanaire est utile car elle minimise la boucle de masse et présente d'autres caractéristiques utiles. Si vous utilisez des connecteurs avec des broches de mise à la terre des deux côtés de la ligne de signal, l'espacement des broches de mise à la terre peut avoir un impact significatif sur les performances. Il a été montré que cette distance affecte la réponse en fréquence.

Lors de l'expérimentation d'un guide d'onde coplanaire à microruban basé sur un stratifié ro4350b de 10 mil d'épaisseur de Rogers, des connecteurs avec différentes distances de masse entre les ports du Guide d'onde coplanaire et d'autres composants ont été utilisés (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 est transmis au même circuit.

L'axe des x représente la fréquence, 5 GHz par partition. Les performances sont équivalentes lorsque la fréquence des micro - ondes est faible (< 5 GHz), mais deviennent pires lorsque la fréquence est supérieure à 15 GHz. 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 un matériau PCB plus épais. Cela peut également conduire à des différences de performance. Une méthode simple et efficace d'optimisation de l'injection de signal consiste à minimiser la désadaptation d'impédance dans la zone de transmission du signal. L'augmentation de la courbe d'impédance est essentiellement due à une augmentation de l'inductance, tandis que la diminution de la courbe d'impédance est due à une augmentation de la capacité. Pour la ligne de transmission microruban épaisse représentée sur la Figure 2A (en supposant que la constante diélectrique du matériau PCB soit faible, de l'ordre de 3,6), le fil est beaucoup plus large que le conducteur interne du connecteur. En raison de la grande différence de taille entre les fils de circuit et les fils de connexion, de fortes mutations capacitives se produisent pendant la transition. Il est généralement possible de réduire l'écart dimensionnel formé à l'endroit où il est connecté à la broche du connecteur coaxial en amincissant progressivement les fils du circuit, réduisant ainsi les mutations capacitives. Réduire le fil PCB augmentera son inductance (ou réduire sa capacité pour compenser les mutations capacitives dans la courbe d'impédance.les effets sur les différentes fréquences doivent être pris en compte.les lignes de gradient plus longues créent une plus grande sensibilité aux basses fréquences.par exemple, si les pertes de retour sont faibles à basse fréquence et qu'il existe des pics d'impédance Capacitive, il est préférable d'utiliser un gradient plus long. Inversement, les lignes de gradient plus courtes ont un effet plus important sur les hautes fréquences.

Pour les structures coplanaires, la capacité augmentera lorsque les plans de masse adjacents seront proches. Typiquement, la capacité inductive de la zone d'injection du signal est ajustée dans la bande de fréquence correspondante en ajustant la distance entre la ligne de signal dégradé et le plan de masse adjacent. Dans certains cas, les plots de masse adjacents du Guide d'onde coplanaire sont plus larges sur une partie de la ligne conique pour ajuster la bande de fréquence inférieure. L'espacement devient alors plus étroit dans la partie la plus large de la ligne de gradient et la longueur de la partie la plus étroite n'est pas longue pour affecter la bande de fréquence la plus élevée. En général, le rétrécissement du gradient du fil augmente la sensibilité. La longueur de la ligne de gradient affecte la réponse en fréquence. Changer les plots de masse adjacents d'un guide d'onde coplanaire peut changer la capacité. L'espacement des plots peut modifier la réponse en fréquence, qui joue un rôle important dans la variation de la capacité

La figure 4 fournit un exemple simple. La figure 4A est une ligne de transmission microruban épaisse avec une ligne conique allongée. La ligne de pente du bord de la planche mesure 0018 pouce (0,46 mm) de large et 0110 pouce (2794 mm) de long, Enfin, la largeur de la ligne de 50 îlots est de 0064 "(1626 mm) de large. Sur les figures 4b et 4c, la longueur de la ligne de gradient est raccourcie. Des connecteurs terminaux pouvant être sertis sur site ont été choisis, mais sans soudure, 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 ro4350b de 30 mm (0,76 mm) d'épaisseur? Le circuit micro - ondes est sur une plaque stratifiée avec une constante diélectrique de 3,66. Sur la figure 4a, la courbe bleue représente les pertes d'insertion (s21) qui fluctuent fortement. En revanche, s21 sur la figure 4c a un minimum de fluctuations. Ces courbes montrent que plus la ligne de gradient est courte, plus les performances sont élevées.

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 crête avant de la figure 4A représente le port de connecteur 1 relié au câble coaxial et l'autre crête sur la courbe représente le connecteur à l'autre extrémité du circuit. Les fluctuations sur la courbe d'impédance diminuent en raison du raccourcissement de la ligne de gradient. L'amélioration de l'adaptation d'impédance est due au fait que les lignes de niveaux de gris dans la zone d'injection du signal deviennent de plus en plus larges et de plus en plus étroites; Les lignes de gradient plus larges réduisent l'inductance. Nous pouvons en savoir plus sur la taille du circuit de la zone d'injection d'un excellent design d'injection de signal 2. Ce circuit utilise également la même plaque et la même épaisseur. En utilisant l'expérience de la figure 4, le Guide d'onde coplanaire vers le circuit microruban produit un meilleur effet que celui de la figure 4. L'amélioration la plus évidente est l'élimination des pics d'inductance dans la courbe d'impédance. En fait, cela est causé par certains pics d'inductance et des vallées de capacité. Utilisez les bonnes lignes de gradient pour minimiser les pics d'inductance et augmentez l'inductance en utilisant un couplage coplanaire de tapis de terre dans la zone d'injection. La courbe de perte d'insertion de la figure 5 est plus lisse que celle de la figure 4C et la courbe de perte de retour est également améliorée. Les résultats de l'exemple de la figure 4 sont différents pour des circuits microrubans utilisant des matériaux PCB de permittivité plus élevée ou d'épaisseurs différentes, ou pour des circuits microrubans utilisant différents types de connecteurs. L'injection de signal est un problème très complexe, soumis à de nombreux facteurs différents. Cet exemple et ces lignes directrices sont conçus pour aider les concepteurs à comprendre les principes de base.