マイクロ波技術 - SMAチューナの無線周波数信号をPCBに伝送する方法及び影響因子の分析

SMAチューナの無線周波数信号をPCBに伝送する方法及び影響因子の分析

SMAチューナをPCBに接続

同軸コネクタからプリント基板（PCB）に高周波エネルギーを転送するプロセスは、一般に信号注入と呼ばれ、その特性は説明しにくい。異なる回路構造により、エネルギー伝達の効率が大きく変化する。PCB材料とその厚さと動作周波数範囲、およびコネクタ設計と回路材料との相互作用などの要素は性能に影響を与える。異なる信号注入設定の理解、および無線周波数とマイクロ波信号注入方法のいくつかの最適化事例のレビューを通じて、性能を高めることができる。

有効な信号注入を実現することは設計と関係がある。一般的に、広帯域最適化は狭帯域よりも挑戦的である。一般に、周波数が増加するにつれて、高周波注入はより困難になり、回路材料の厚さの増加と回路構造の複雑性の増加に伴い、より多くの問題を抱える可能性もある。

1：信号注入設計と最適化

同軸ケーブルとコネクタからマイクロストリップPCBへの信号注入を図1に示す。同軸ケーブルとコネクタを介した電磁（EM）場分布は円筒形であり、PCBにおけるEM場分布は平坦または矩形である。ある伝播媒体から別の伝播媒体へと、フィールド分布が変化して新しい環境に適応し、異常を引き起こす。この変化は、媒体のタイプに依存します。例えば、信号注入が同軸ケーブルとコネクタからマイクロストリップ、接地共面導波路（GCPW）、またはストリップワイヤのいずれかになります。同軸ケーブルコネクタのタイプも重要な役割を果たしています。

図1。同軸ケーブルとコネクタからマイクロストリップへの信号注入。

最適化には複数の変数が含まれます。同軸ケーブル/コネクタ内のEMフィールド分布を理解することは有用ですが、接地回路も伝播媒体の一部として扱わなければなりません。1つの伝播媒体から別の伝播媒体への平滑インピーダンス変換を実現するのは一般的に役立つ。インピーダンスの不連続部のインピーダンスとインピーダンスを理解することで、回路の動作を理解することができます。3次元（3 D）EMシミュレーションが可能な場合は、電流密度分布を観察することができる。また、放射線損失に関する実際の状況を考慮することが望ましい。

SMAチューナ接続

信号送信器コネクタとPCBとの間の接地回路は問題ではないようで、コネクタからPCBへの接地ループは非常に連続しているが、必ずしもそうではない。コネクタの金属とPCBとの間には通常、表面抵抗が小さい。溶接作業場によって部品とこれらの部品を接続する金属の導電性にも小さな違いがある。これらの微小差の影響は、低い無線周波数とマイクロ波周波数では通常小さいが、高い周波数では性能に大きな影響を与える。接地回路の実際の長さは、所与のコネクタとPCBの組み合わせによって達成できる伝送品質に影響を与える。

図2 aに示すように、コネクタピンからマイクロストリップPCBの信号線に電磁エネルギーが移行すると、厚いマイクロストリップ伝送線にとってコネクタハウジングに戻る接地回路が長すぎる可能性がある。高い誘電率を持つPCB材料を使用すると、接地回路の電気的な長さが増加し、問題が深刻化する。経路の拡張は周波数依存の問題を引き起こし、これは逆に局所位相速度と容量差を生じる。どちらも変換領域におけるインピーダンスと関係があり、それに影響を与え、エコー損失の差をもたらす。理想的には、信号注入領域にインピーダンス異常が存在しないように、接地回路の長さを最小にしなければならない。なお、図2 aに示すコネクタの接地点は回路の底部のみに残っており、これは最悪の場合である。多くのRFコネクタは、信号と同じ層に接地ピンを有する。この場合、接地パッドもPCB上に設計されている。

図2 bは、マイクロストリップ信号注入回路に接地された共平面導波路を示す。ここで、回路の本体はマイクロストリップであるが、信号注入領域は接地された共平面導波路（GCPW）である。接地回路を最小化し、他の有用な特性もあるため、共面発光マイクロストリップは有用である。信号線の両側に接地ピンがあるコネクタを使用すると、接地ピン間隔が性能に重大な影響を与えることがあります。この距離は周波数応答に影響することが示されている。

図2：厚いマイクロストリップ伝送路回路とコネクタへの長い接地リターン経路（a）接地共平面導波路からマイクロストリップへの信号注入回路（b）。

Rogersキャップ10 mil厚RO 4350 B積層板に基づく共平面導波路をマイクロストリップマイクロストリップに試験する際には、異なる接地ピッチを有するが他の部品が類似した共平面導波路のコネクタを使用した（図3参照）。コネクタAの接地間隔は約0.030’であり、コネクタBの接地間隔は0.064’である。どちらの場合も、コネクタは同じ回路に転送されます。

図3。異なる接地間隔を有する類似ポートを有する同軸コネクタを用いてコプレーナ導波路のマイクロストリップ回路への試験を行った。

x軸は周波数を表し、各パーティションは5 GHzである。マイクロ波周波数が低い（<5=226 ghz）場合、性能は同等であるが、周波数が15=226 ghz=226 ghzより高い場合、接地間隔が大きい回路の性能はさらに悪くなる。コネクタは似ています。これらの2=""モデルのピン直径は少し異なりますが、コネクタのピン直径b=""はより大きく、より厚いPCB="""">のために設計されています。

簡単で効果的な信号注入最適化方法は、信号伝送領域におけるインピーダンス不整合を最小化することである。インピーダンス曲線の増加は基本的にインダクタンスの増加によるものであり、インピーダンス曲線の減少は容量の増加によるものである。図2 aに示す厚いマイクロストリップ伝送路（PCB材料の誘電率が低いと仮定すると、約3.6）について、ワイヤはコネクタの内部導体よりずっと広い。回路配線と接続配線の寸法の違いが大きいため、移行中に強い容量突然変異が発生する。一般に、容量突然変異は、同軸コネクタに接続されたピンの位置によって形成される寸法ギャップを減少させるために、回路リードを徐々に細くすることによって減少させることができる。PCB導線を縮小すると、インピーダンス曲線における容量突然変異を相殺するためにインダクタを増加させる（または容量を減少させる）。

異なる周波数への影響を考慮しなければならない。長いランプラインは低周波に敏感です。例えば、エコー損失が低周波で悪く、容量インピーダンススパイクが存在する場合は、より長い勾配線を使用するのに適しています。逆に、短い勾配線は高周波に与える影響が大きい。

共平面構造では、隣接する接地面が近づくと容量が増加する。一般に、信号注入領域の誘導容量は、ランプ信号線と隣接する接地面との間隔を調整することにより、対応する周波数帯域で調整される。場合によっては、コプレーナ導波路の隣接する接地パッドは、より低い周波数帯域を調整するために勾配線の一部においてより広い。その後、ピッチはランプ線の広い部分で狭くなり、狭い部分の長さは長くならず、高い周波数帯域に影響を与える。一般に、ワイヤの勾配が狭くなると感度が高くなります。勾配線の長さは周波数応答に影響する。同一平面導波路の隣接接地パッドを変更することで容量を変更することができる。パッド間隔は周波数応答を変えることができ、周波数応答は容量の変化に重要な役割を果たす。

2つの例

図4は、簡単な例を提供する。【図4 a】細長いテーパラインを有する厚いマイクロストリップ伝送路である。板の縁には、勾配線幅0.018Å（0.46 mm）、長さ0.110Å（2.794 mm）があり、最終的に幅0.064Å（1.626 mm）の50島線幅になった。図4 bと4 cでは、グラデーション線の長さが短くなっている。溶接ではなく現場で圧着できる端子コネクタを選択したので、それぞれの場合に同じ内部導体を使用します。マイクロストリップ伝送線路長2墊（50.8 mm）、厚さ30 mm（0.76 mm）のRO 4350 B？誘電率3.66のマイクロ波回路積層板。図4 aにおいて、青色曲線は挿入損失（S 21）を示し、その変動は大きい。対照的に、図4 cにおけるS 21の変動回数は最も少ない。これらの曲線は、勾配線が短いほどパフォーマンスが高くなることを示しています。

図4。3種類の異なる勾配線のマイクロストリップ回路の性能を研究した、細長い階層線を有する元の設計（a）は、階層線の長さを減少（b）させ、階層線の幅をさらに減少（c）させる。

おそらく、図4で最も説明的な曲線はケーブル、コネクタ、回路のインピーダンス（緑色曲線）を示している。図4 aの大前方ピークは同軸ケーブルに接続されたコネクタポート1を示し、曲線上の別のピークは回路の他端のコネクタを示している。インピーダンス曲線上の変動は、ランプ線の短縮により減少する。インピーダンス整合の改善は、信号注入領域のグラデーション線がますます広くなるためである、グラデーション線が広いほどインダクタンスが小さくなります。

注入領域の回路サイズについては、優れた信号注入設計2から詳細に知ることができます。この回路も同じ板と同じ厚さを使用している。図4の経験を用いることにより、コプレーナ導波路のマイクロストリップ回路への誘導は図4よりも良い効果をもたらした。最も顕著な改善は、インピーダンス曲線におけるインダクタンスピークを除去することである。実際、これはいくつかのインダクタンスピークとキャパシタンス谷によって引き起こされます。正確な勾配線を用いてインダクタンスピークを最小化し、注入領域でコプレーナ接地パッド結合を用いてインダクタンスを増加させる。図5の挿入損失曲線は図4 cよりも滑らかであり、エコー損失曲線も改善されている。

図4に示す例は、比較的高い誘電率または異なる厚さのPCB材料を用いたマイクロストリップ回路、または異なるタイプのコネクタを用いたマイクロストリップ回路について異なる結果を示している。

注記：信号注入は非常に複雑な問題であり、多くの異なる要素の影響を受けている。