Notizie PCB - Analisi del metodo di iniezione del segnale PCB sul circuito stampato

Il processo di trasferimento di energia ad alta frequenza dal connettore coassiale al circuito stampato (PCB) è solitamente chiamato iniezione di segnale e le sue caratteristiche sono difficili da descrivere. L'efficienza del trasferimento di energia varia notevolmente a causa delle diverse strutture del circuito. Fattori quali il materiale PCB e il suo spessore e gamma di frequenza operativa, così come la progettazione del connettore e la sua interazione con i materiali del circuito influenzeranno le prestazioni. Attraverso la comprensione delle diverse impostazioni di iniezione del segnale e la revisione di alcuni casi di ottimizzazione dei metodi di iniezione del segnale RF e microonde, le prestazioni possono essere migliorate.

Il raggiungimento di un'iniezione efficace del segnale è legato alla progettazione. In generale, l'ottimizzazione a banda larga è più impegnativa della banda stretta. Generalmente, l'iniezione ad alta frequenza diventa più difficile man mano che la frequenza aumenta e può anche avere più problemi 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 alla scheda PCB microstrip è mostrata nella Figura 1. La distribuzione del campo elettromagnetico (EM) attraverso il cavo coassiale e il connettore è cilindrica, mentre la distribuzione del campo EM nel PCB è piatta o rettangolare. Da un mezzo di propagazione all'altro, la distribuzione del campo cambierà per adattarsi al nuovo ambiente, con conseguente anomalia. Il cambiamento dipende dal tipo di supporto; ad esempio, se l'iniezione del segnale proviene da cavi e connettori coassiali a microstrip, guida d'onda complanare a terra (GCPW) o striscia. Anche il tipo di connettore del cavo coassiale svolge un ruolo importante.

L'ottimizzazione comporta diverse variabili. È utile comprendere la distribuzione del campo EM all'interno del cavo coassiale/connettore, ma anche il loop di massa deve essere considerato parte del mezzo di propagazione. Di solito è utile realizzare una transizione di impedenza regolare da un mezzo di propagazione all'altro. Comprendere la reattività capacitiva e induttiva alle discontinuità di impedenza ci permette di comprendere il comportamento del circuito. Se è possibile eseguire simulazioni EM tridimensionali (3D), è possibile osservare la distribuzione della densità di corrente. Inoltre, è meglio tenere conto della situazione reale relativa alla perdita di radiazioni. Anche se il loop di terra tra il connettore del trasmettitore di segnale e il PCB potrebbe non sembrare un problema e il loop di terra dal connettore al PCB è molto continuo, non è sempre il caso. Di solito c'è una piccola resistenza superficiale tra il metallo del connettore e il PCB. C'è anche una piccola differenza nella conducibilità elettrica del negozio di saldatura che collega le diverse parti e il metallo di queste parti. Alle basse frequenze RF e microonde, l'impatto di queste piccole differenze è solitamente piccolo, ma l'impatto sulle prestazioni è grande alle frequenze più alte. La lunghezza effettiva del percorso di ritorno a terra influenzerà la qualità di trasmissione che può essere raggiunta con una determinata combinazione di connettore e PCB.

Come mostrato nella figura 2a, quando l'energia elettromagnetica viene trasferita dai pin del connettore ai fili del segnale del PCB microstrip, il loop di terra di nuovo all'alloggiamento del connettore può essere troppo lungo per una linea di trasmissione microstrip spessa. L'uso di materiali PCB con una costante dielettrica superiore aumenterà la lunghezza elettrica del ciclo di terra, esacerbando il problema. Le estensioni del percorso possono causare problemi dipendenti dalla frequenza, che a loro volta possono causare differenze locali di velocità di fase e capacità. Entrambi sono legati all'impedenza nell'area di trasformazione e lo influenzeranno, con conseguente differenza nella 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 prega di notare 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 pad di terra è progettato anche sul PCB. La figura 2b mostra la guida d'onda complanare messa a terra al circuito di iniezione del segnale microstrip. Qui, il corpo principale del circuito è microtrip, ma l'area di iniezione del segnale è la guida d'onda complanare a terra (GCPW). Il microtrip di emissione complanare è utile perché minimizza i cicli di terra e ha altre caratteristiche utili. Se si utilizza un connettore con pin di massa su entrambi i lati del cavo di segnale, la distanza tra pin di terra ha un impatto significativo sulle prestazioni. È stato dimostrato che questa distanza influisce sulla risposta in frequenza.

Quando si sperimenta una guida d'onda complanare per microtrip basato sul laminato RO4350B di Rogers di spessore 10 mil, è stato utilizzato un connettore con una distanza di messa a terra diversa tra la porta della guida d'onda complanare e altre parti (vedere Figura 3). La separazione a terra del connettore A è di circa 0,030", e la separazione a terra del connettore B è di 0,064". In entrambi i casi, il connettore trasmette allo stesso circuito.

L'asse x rappresenta la frequenza, 5 GHz per divisione. Quando la frequenza a microonde è inferiore (< 5 GHz), le prestazioni sono equivalenti, ma quando la frequenza è superiore a 15 GHz, le prestazioni del circuito con una maggiore separazione da terra diventano peggiori. I connettori sono simili, anche se i diametri del perno dei due modelli sono leggermente diversi, il diametro del perno del connettore B è più grande ed è progettato per materiali PCB più spessi. Ciò può anche causare differenze di prestazioni. Un metodo semplice ed efficace di ottimizzazione dell'iniezione del segnale è quello di minimizzare il disallineamento di impedenza nell'area di trasmissione del segnale. L'aumento della curva di impedenza è fondamentalmente dovuto all'aumento dell'induttanza, mentre la diminuzione della curva di impedenza è dovuta all'aumento della capacità. Per la spessa linea di trasmissione microtrip mostrata nella figura 2a (supponendo che la costante dielettrica del materiale PCB sia bassa, circa 3.6), il cavo è più ampio-molto più ampio del conduttore interno del connettore. A causa della grande differenza nelle dimensioni del cavo del circuito e del cavo del connettore, si verifica una forte mutazione capacitiva durante la transizione. Di solito è possibile ridurre la mutazione capacitiva rastremando gradualmente il cavo del circuito per ridurre il divario formato nel luogo in cui è collegato al perno del connettore coassiale. Restringendo il cavo PCB aumenterà la sua induttanza (o diminuire la sua capacità, in modo da compensare la mutazione capacitiva nella curva di impedenza.L'impatto su diverse frequenze deve essere considerato. Le linee di gradazione più lunghe saranno più sensibili alla produzione a bassa frequenza. Ad esempio, se la perdita di ritorno è scarsa alle basse frequenze e c'è un picco di impedenza capacitiva allo stesso tempo, è più appropriato utilizzare una linea di gradiente più lunga. Al contrario, una linea di gradiente più corta ha un effetto maggiore sulle alte frequenze.

Per le strutture complanari, la capacità aumenterà quando i piani di terra adiacenti sono vicini. Di solito, la capacità induttiva dell'area di iniezione del segnale è regolata nella banda di frequenza corrispondente regolando la distanza tra la linea graduale del segnale e il piano di terra adiacente. In alcuni casi, i pad di terra adiacenti della guida d'onda complanare sono più ampi su una sezione della linea affusolata per regolare la banda di frequenza inferiore. Quindi, il tono diventa più stretto nella parte più ampia della linea di gradazione e la lunghezza della parte più stretta non è lunga per influenzare la banda di frequenza più alta. In generale, il restringimento del gradiente del filo aumenterà la sensibilità. La lunghezza della linea di gradiente influisce sulla risposta in frequenza. Cambiare i pad di terra adiacenti della guida d'onda complanare può cambiare la capacità. La spaziatura del pad può cambiare la risposta in frequenza, che svolge un ruolo importante nel cambiamento della capacità. Istanza

La figura 4 fornisce un semplice esempio. La figura 4a è una linea di trasmissione a microscatto spessa con linee affusolate lunghe e strette. La linea di pendenza è 0,018" (0,46 mm) di larghezza al bordo della scheda, 0,110" (2,794 mm) di lunghezza, In figura 4b e 4c, la lunghezza della linea di gradiente accorciata. Il connettore terminale crimpabile in campo viene selezionato e non saldato, quindi viene utilizzato lo stesso conduttore interno in ogni caso. La linea di trasmissione microtrip è lunga 50,8 mm ed è elaborata in un RO4350B di spessore 30mil (0,76 mm)? Circuito a microonde Sul laminato, la costante dielettrica è 3,66. Nella Figura 4a, la curva blu rappresenta la perdita di inserzione (S21), che oscilla molto. Al contrario, S21 nella figura 4c presenta il minor numero di fluttuazioni. Queste curve mostrano che più breve è la linea di gradiente, maggiore è la prestazione.

Forse la curva più illustrativa nella Figura 4 mostra l'impedenza del cavo, del connettore e del circuito (curva verde). Il grande picco di 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 sulla curva di impedenza è ridotta a causa dell'accorciamento della linea di cambio graduale. Il miglioramento della corrispondenza di impedenza è perché la linea di gradazione nell'area di iniezione del segnale diventa più ampia e stretta; la linea di gradazione più ampia riduce l'induttanza. Possiamo saperne di più sulla dimensione del circuito dell'area di iniezione da un eccellente disegno di iniezione del segnale 2. Questo circuito utilizza anche la stessa scheda e lo stesso spessore. Una guida d'onda complanare al circuito microtrip, attraverso l'uso dell'esperienza della Figura 4, ha prodotto un effetto migliore della Figura 4. Il miglioramento più evidente è quello di eliminare i picchi induttivi nella curva di impedenza. Infatti, questo è causato da alcuni picchi induttivi e valli capacitive. Utilizzare la linea di gradiente corretta per ridurre al minimo il picco induttivo e utilizzare l'accoppiamento complanare del cuscinetto di terra nell'area di iniezione per aumentare l'induttanza. La curva di perdita di inserzione della Figura 5 è più liscia di quella della Figura 4c e anche la curva di perdita di ritorno è migliorata. Per i circuiti microstrip che utilizzano materiali PCB con costanti dielettriche più elevate o spessori diversi, o circuiti microstrip che utilizzano diversi tipi di connettori, i risultati dell'esempio mostrato nella Figura 4 sono diversi. L'iniezione del segnale è un problema molto complesso, influenzato da molti fattori diversi. Questo esempio e queste linee guida sono progettati per aiutare i progettisti a comprendere i principi di base.