Tecnologia RF - Metodo di iniezione del segnale RF e PCB a microonde

Il processo di trasferimento di energia ad alta frequenza e PCB RF / Microonde da un connettore coassiale a un circuito stampato (PCB) è spesso indicato come iniezione di segnale e le sue caratteristiche sono difficili da descrivere. L'efficienza del trasferimento di energia varia notevolmente a seconda della struttura del circuito. Fattori quali il materiale PCB e il suo spessore e la gamma di frequenza operativa, così come il design del connettore e la sua interazione con il materiale del circuito, possono influenzare le prestazioni. Le prestazioni possono essere migliorate dalla comprensione delle diverse impostazioni di iniezione del segnale e da una revisione di alcuni casi di ottimizzazione dei metodi di iniezione del segnale RF e microonde.

Ottenere un'iniezione efficace del segnale è legata al design e, in generale, l'ottimizzazione della banda larga è più impegnativa dell'ottimizzazione a banda stretta. In generale, l'iniezione ad alta frequenza diventa più difficile man mano che la frequenza aumenta e può diventare più problematica man mano che lo spessore del materiale del circuito aumenta e la complessità della struttura del circuito aumenta.

Progettazione e ottimizzazione dell'iniezione del segnale

L'iniezione del segnale dal cavo coassiale e dal connettore nel PCB microstrip è mostrata nella Figura 1. La distribuzione del campo elettromagnetico (EM) attraverso cavi coassiali e connettori è cilindrica, mentre la distribuzione del campo EM all'interno di un PCB è planare o rettangolare. Da un mezzo all'altro, la distribuzione del campo cambia per adattarsi al nuovo ambiente, causando anomalie. Il cambiamento dipende dal tipo di supporto; Ad esempio, l'iniezione del segnale avviene da cavi coassiali e connettori a microstrip, guida d'onda complanare a terra (GCP) o striscia. Anche il tipo di connettore del cavo coassiale svolge un ruolo importante.

Figura 1. Iniezione del segnale da cavo coassiale e connettore a microstrip

L'ottimizzazione comporta diverse variabili. Comprendere la distribuzione del campo EM all'interno di un cavo/connettore coassiale è utile, ma anche il loop di massa deve essere considerato parte del mezzo di propagazione. Di solito è utile ottenere una transizione di impedenza regolare da un mezzo di propagazione all'altro. Comprendere la capacità e la reattività induttiva alle discontinuità di impedenza ci permette di comprendere le prestazioni del circuito. Se è possibile eseguire una simulazione EM 3D (3D), è possibile osservare la distribuzione della densità corrente. Inoltre, è opportuno tenere conto delle condizioni pratiche relative alle perdite di radiazioni.

Mentre il loop di massa tra il connettore del trasmettitore di segnale e il PCB può sembrare non problematico, il loop di massa dal connettore al PCB è molto continuo, ma questo non è sempre il caso. Di solito c'è una piccola resistenza superficiale tra il metallo del connettore e il PCB. Ci sono anche piccole differenze nella conducibilità elettrica tra i saldatori che collegano parti diverse e i metalli in quelle parti. Alle basse frequenze RF e microonde, queste piccole differenze di solito hanno un piccolo impatto, ma alle frequenze più alte, possono avere un impatto significativo sulle prestazioni. La lunghezza effettiva del percorso di backflow influisce sulla qualità della trasmissione che può essere raggiunta con una data combinazione di connettori e PCB.

Come mostrato nella Figura 2A, il loop di terra di nuovo all'alloggiamento del connettore può essere troppo lungo per linee di trasmissione a microstrip spesse poiché l'energia elettromagnetica viene trasferita dai pin del connettore al cavo del segnale del PCB a microstrip. L'uso di materiali PCB con costanti dielettriche ad alta frequenza può esacerbare il problema aumentando la lunghezza elettrica del ciclo di terra. L'estensione del percorso può causare problemi dipendenti dalla frequenza, con conseguente differenze locali di velocità di fase e capacità. Entrambi sono legati all'impedenza nella regione di trasformazione e la influenzeranno, con conseguente differenza di perdita di rendimento. Idealmente, la lunghezza del circuito di terra dovrebbe essere minimizzata in modo che non ci siano anomalie di impedenza nell'area di iniezione del segnale. Si noti che il punto di massa del connettore mostrato nella figura 2A esiste solo nella parte inferiore del circuito, e questo è il caso peggiore. Molti connettori RF hanno pin di terra sullo stesso strato del segnale. In questo caso, il PCB sarà anche progettato con un pad di messa a terra lì.

La figura 2B mostra una guida d'onda complanare a terra al circuito di iniezione del segnale microstrip. Qui, il corpo principale del circuito è il microtrip, ma la regione di iniezione del segnale è la guida d'onda complanare del suolo (GCP). I microtrip delle emissioni complanari sono utili perché riducono al minimo i cicli di terra e hanno altre proprietà utili. Se un connettore viene utilizzato con pin di massa su entrambi i lati del cavo di segnale, la distanza tra pin di massa ha un impatto significativo sulle prestazioni. È stato dimostrato che la distanza influisce sulla risposta in frequenza.

Figura 2. Circuito della linea di trasmissione a microstrappo spesso e percorso di ritorno a terra più lungo al connettore (a)

Guida d'onda complanare a terra al circuito di iniezione del segnale a microscatto (b)

In esperimenti con una guida d'onda complanare a microstrip basata su laminati RO4350B spessi Rogers 10mIL, sono state utilizzate porte di guida d'onda complanare con diversa distanza di terra ma altrimenti connettori simili (vedere Figura 3). Il connettore A ha un intervallo di messa a terra di circa 0,030" e il connettore B ha un intervallo di messa a terra di 0,064". In entrambi i casi, il connettore viene emesso sullo stesso circuito.

Figura 3. Prova la guida d'onda complanare ai circuiti microstrip utilizzando connettori coassiali con porte simili con intervalli di messa a terra diversi

L'asse X è la frequenza, 5 GHz per griglia. A basse frequenze a microonde (< 5 GHz), le prestazioni del circuito sono le stesse, ma a frequenze superiori a 15 GHz, le prestazioni del circuito con un ampio intervallo di messa a terra peggiorano. I connettori sono simili, anche se i diametri del perno dei due modelli sono leggermente diversi, il connettore B ha un diametro del perno più grande ed è progettato per materiali PCB più spessi. Ciò può anche portare a differenze di prestazioni.

Un metodo semplice ed efficace per ottimizzare l'iniezione del segnale è quello di ridurre al minimo il disallineamento di impedenza nella regione di trasmissione del segnale. La curva di impedenza aumenta fondamentalmente a causa di un aumento dell'induttanza e scende a causa di un aumento della capacità. Per la spessa linea di trasmissione microtrip mostrata nella Figura 2A (assumendo una bassa costante dielettrica del materiale PCB, circa 3.6), il conduttore è più ampio - molto più ampio del conduttore interno del connettore. A causa della grande differenza di dimensione tra il cavo del circuito e il cavo del connettore, c'è una forte mutazione capacitiva durante la transizione. Le mutazioni capacitive di solito possono essere ridotte rastremando il cavo del circuito in modo da ridurre il divario dimensionale tra esso e i pin del connettore coassiale. Ridurre il cavo PCB aumenterà la sua sensibilità (o diminuirà la capacità, compensando così le mutazioni capacitive nella curva di impedenza.

Occorre considerare l'effetto sulle diverse frequenze. Gradienti più lunghi danno maggiore sensibilità alle basse frequenze. Ad esempio, se la perdita di ritorno è scarsa alle basse frequenze e c'è un picco di impedenza capacitiva, una linea di gradiente più lunga può essere appropriata. Al contrario, i gradienti più brevi hanno un effetto maggiore sulle alte frequenze.

Per le strutture complanari, la capacità aumenta quando le superfici adiacenti del terreno si avvicinano. Generalmente, la sensibilità della regione di iniezione del segnale è regolata nella banda di frequenza corrispondente regolando la distanza tra la linea del segnale gradiente e il terreno adiacente. In alcuni casi, i pad di messa a terra adiacenti della guida d'onda complanare sono più ampi lungo una sezione della linea di gradiente per regolare la banda di frequenza inferiore. Quindi, la spaziatura si restringe nella parte più ampia della linea di gradiente e la parte più stretta non è lunga per influenzare la banda ad alta frequenza. In generale, il restringimento del gradiente del filo aumenta la sensazione. La lunghezza della linea di gradiente influisce sulla risposta in frequenza. La capacità può essere cambiata cambiando i pad di messa a terra adiacenti delle guide d'onda complanari. La spaziatura tra pad può cambiare la risposta in frequenza, che svolge un ruolo importante nel cambiamento di capacitivo.

L'istanza

La figura 4 fornisce un semplice esempio. La figura 4A è una linea di trasmissione a microtrip spessa con un gradiente lungo e stretto. La linea di pendenza è 0,018" (0,46 mm) di larghezza e 0,110" (2,794 mm) di lunghezza al bordo della piastra, Nelle figure 4b e 4c, la lunghezza della linea di gradiente diventa più breve. I connettori terminali a crimpa di campo vengono utilizzati e non saldati, quindi in ogni caso viene utilizzato lo stesso conduttore interno. La linea di trasmissione microtrip è lunga 2" (50,8 mm) e lavorata in un RO4350B di spessore 30mil (0,76 mm)? La costante dielettrica dei laminati del circuito a microonde è 3,66. Nella Figura 4A, la curva blu rappresenta la perdita di inserzione (S21), che oscilla molto. Al contrario, S21 nella figura 4c ha la minima quantità di fluttuazione. Queste curve mostrano che più breve è la pendenza, migliore è la prestazione.

Figura 4. Prestazioni di tre circuiti microtrip con diverse linee di gradiente; Design originale con gradiente stretto (a), lunghezza ridotta (b) e lunghezza ridotta (c)

Forse la curva più illustrativa nella Figura 4 mostra l'impedenza del cavo, del connettore e del circuito (curva verde). La grande onda in avanti nella figura 4A rappresenta la porta del connettore 1 collegata al cavo coassiale e l'altro picco sulla curva rappresenta il connettore all'altra estremità del circuito. La fluttuazione della curva di impedenza è ridotta dall'accorciamento della linea di gradiente. Il miglioramento della corrispondenza dell'impedenza è dovuto all'ampliamento e al restringimento della linea di gradiente nella regione di iniezione del segnale. Le pendenze più ampie riducono la sensualità.

Possiamo saperne di più sulle dimensioni del circuito dell'area di iniezione da un eccellente disegno di iniezione del segnale 2, che utilizza anche la stessa piastra e lo stesso spessore. Una guida d'onda complanare al circuito microtrip, utilizzando l'esperienza di cui alla Figura 4, produce risultati migliori rispetto alla Figura 4. Il miglioramento più evidente è l'eliminazione dei picchi induttivi nella curva di impedenza, che infatti è in parte dovuto a picchi induttivi e valli capacitive. Utilizzando la linea di gradiente corretta è ridurre al minimo il picco di sensibilità mentre si utilizza l'accoppiamento complanare del pad di messa a terra della zona di iniezione per aumentare la sensibilità. La curva di perdita di inserzione nella FIG. 5 è più liscia di quella nella FIG. 4C e anche la curva di perdita di ritorno sono migliorate. L'esempio mostrato nella Figura 4 mostra risultati diversi per circuiti microstrip che utilizzano materiali PCB ad alta frequenza e costanti dielettriche PCB RF/Microonde o spessori diversi, o per circuiti microstrip che utilizzano diversi tipi di connettori.