マイクロ波技術 - RFおよびマイクロ波PCB信号注入方法

移す過程 高周波エネルギー及びRF／マイクロ波PCB from a coaxial connector to a printed circuit board (PCB) is often referred to as signal injection, その特徴は記述するのが難しい. エネルギー伝達の効率は回路構造に依存して大きく変化する. PCB材料やその厚みや動作周波数範囲などの要因, コネクタ設計と回路材料との相互作用, パフォーマンスに影響する. 性能は、異なる信号注入設定を理解することによって改善できる RFとマイクロ波 信号注入方法.

効果的な信号注入の達成は設計関連である, 一般的に, ブロードバンド最適化は狭帯域最適化よりもチャレンジングである. 一般に, 高周波 回路材料の厚さが増加し、回路構造の複雑さが増すにつれて、周波数が増加し、より問題となることがある.

信号注入設計と最適化

同軸ケーブル及び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通る電磁（EM）場分布は円筒状であり、一方、PCB内のEM場分布は平面または長方形である。つの媒体からもう一つまで、フィールド配布は新しい環境に適応するために変わります。変化は媒体の種類によって決まる例えば、信号注入は、同軸ケーブル及びコネクタからマイクロストリップ、グランドコプレーナ導波路（GCP）、又はストリップにある。同軸ケーブルコネクタの種類も重要な役割を果たしている。

図1。同軸ケーブルからの信号注入とマイクロストリップへのコネクタ

最適化にはいくつかの変数が含まれます。同軸ケーブル／コネクタ内のEM場分布を理解することは有用であるが、接地ループは、伝播媒体の一部とも考えなければならない。通常、1つの伝搬媒体から別の伝播媒体への滑らかなインピーダンス遷移を達成するのに役立つ。インピーダンス不連続におけるキャパシタンスと誘導リアクタンスを理解することにより，回路性能を理解できる。三次元（3 d）emシミュレーションを行うことができれば，電流密度分布を観測できる。また、放射損失に関する実際の条件を考慮することが望ましい。

信号送信機とPCBとの間のグランドループは、問題がないようである, コネクタからPCBへのグランドループは非常に連続的である, しかし、これは常にそうでありません. 通常、コネクタの金属とPCBとの間に小さな表面抵抗がある. 異なる部分を接続する溶接部とそれらの部分の金属との間の電気伝導度には小さな違いもある. 低く RFとマイクロ波 周波数, これらの小さな違いは、通常小さな影響を与えます, しかし、高い周波数で, 彼らはパフォーマンスに大きな影響を与えることができます. 逆流経路の実際の長さは、コネクタとPCBの与えられた組合せで達成されることができるトランスミッションの品質に影響を及ぼします.

図2 Aに示すように, 電磁エネルギーがコネクタ・ピンからマイクロストリップPCB . sub . 1のシグナルリード線まで転送されるように、コネクタ・ハウジングにグランド・ループ・バックは厚いマイクロストリップ伝送線のための長すぎることができる. 使用 PCB材料 with 高周波 誘電率は接地ループの電気長を増加させることによって問題を悪化させることができる. 経路拡張は周波数依存問題を引き起こす, 局所位相速度と容量差の結果. 両者は変換領域のインピーダンスに関係し、それに影響する, 戻り損失の違いになる. 理想的に, 信号注入領域にインピーダンス異常がないように接地ループの長さを最小化する. 図2 Aに示されるコネクタの接地点は、回路100の底部にのみ存在することに留意されたい, そして、これは最悪のケースです. 多くのRFコネクタは、信号と同じ層に接地ピンを有する. この場合は, PCBはまた、そこに接地パッドで設計されます.

図2 Bは、接地コプレーナ導波路からマイクロストリップ信号注入回路を示す。ここで、回路の本体はマイクロストリップであるが、信号注入領域はグランドコプレーナ導波路（GCP）である。コプレーナ発光マイクロストリップは、接地ループを最小化し、他の有用な特性を有するので有用である。コネクタが信号リードの両側に接地ピンで使用される場合、接地ピン間隔は性能に大きな影響を与える。距離が周波数応答に影響することを示した。

図2. Thick microstrip transmission line circuit and longer ground return path to connector (a)

グラウンドコプレーナ導波路型マイクロストリップ信号注入回路( B )

厚さ10 mmのRogers 10μmに基づくコプレーナ導波路からマイクロストリップの実験 ROC 4350 B 積層板, coplanar waveguide ports with different ground spacing but otherwise similar connectors were used (see Figure 3). コネクタAは接地間隔が約0である.030 "及びコネクタBは接地間隔0を有する.064 ". 両方とも, コネクタは同じ回路上で放出される.

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た試験用コプレーナ導波路‐マイクロストリップ回路

x軸は周波数である, グリッドあたり5 GHz. At low microwave frequencies (< 5 GHz), 回路の性能は同じである, しかし、15 GHzより高い周波数で, 接地間隔が大きい回路の性能劣化. コネクタは同様です, つのモデルのピン直径がわずかに異なるけれども, コネクタBは、より大きなピン直径を有して、より厚いために設計される PCB材料. これはまた、パフォーマンスの違いにつながることができます.

信号注入を最適化するための簡単で効果的な方法は、信号伝達領域におけるインピーダンス不整合を最小にすることである。インピーダンス曲線は、インダクタンスの増加により基本的に上昇し、容量の増加により低下する。図2 Aに示される厚いマイクロストリップ伝送線について（PCB材料の低誘電率を仮定すると、約3.6）、導体は、コネクタの内部導体よりもはるかに広い。回路リードとコネクタリードとの間の大きなサイズ差のため、遷移中に強い容量性突然変異が存在する。容量性突然変異は、通常、それと同軸コネクタ・ピンとの間のサイズ・ギャップを減らすために回路リード線をテーピングすることによって、減らされることができる。PCBリードを狭めることによって、その感度（または容量を減少させる）が増加し、それによってインピーダンス曲線における容量性突然変異を相殺する。

異なる周波数への影響を考慮しなければならない。より長い勾配は、より低い周波数により多くの感度を与えます。例えば、低損失において戻り損失が弱く、容量性インピーダンススパイクがある場合、より長い勾配ラインが適切であり得る。逆に、短い勾配は、高い周波数に対してより大きな効果を有する。

共平面構造, 隣接する接地面が近づくと静電容量が増加する. 一般に, 信号注入領域の感度は、勾配信号線と隣接するグラウンドとの間の間隔を調整することによって、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した接地パッドは、より低い周波数帯域を調整するために勾配線の1つのセクションに沿ってより広い. Then, 勾配は勾配線の広い部分で狭くなる, そして、より狭い部分は、長さが 高周波 バンド. 一般に, 線勾配の狭まりは感覚を増す. 勾配線の長さは周波数応答に影響する. コプレーナ導波路の隣接接地パッドを変えることによって、キャパシタンスを変えることができる. パッド間の間隔は周波数応答を変えることができる, 容量の変化には大きな役割がある.

インスタンス

図4は簡単な例を示します. 図4 Aは、細長い勾配のある厚いマイクロストリップ伝送線路である. 勾配線は0です.018" (0.46 mm) wide and 0.110" (2.794 mm) long at the edge of the plate, そして最終的に0.064" (1.626 mm) wide. 図4 Bおよび4 Cでは, 勾配線の長さが短くなる. フィールド圧着端子コネクタは使用され、溶接されていない, したがって、同じ内部導体は、各ケースで使用されます. The microstrip transmission line is 2" (50.8mm) long and machined in a 30mil (0.76mm) thick ROC 4350 B? マイクロ波回路積層体の誘電率は3である.66. 図4 Aでは, the blue curve represents the insertion loss (S21), ずいぶん揺らぐ. 反対に, 図4 CのS 21は、変動の最小量を有する. これらの曲線は勾配が短いことを示す, パフォーマンスが良い.

図4。異なる傾斜線をもつ3つのマイクロストリップ回路の性能狭い勾配（a），勾配勾配（b）を減らし，さらに勾配長（c）を減らしたオリジナル設計

図4の最も図解的な曲線は、ケーブル、コネクタ、及び回路のインピーダンスを示す。図4 Aの大きな前方波は、同軸ケーブルに接続されたコネクタポート1を表し、曲線上の他のピークは、回路の他端のコネクタを表す。インピーダンス曲線の変動は勾配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における勾配線の拡幅と狭まりによる。より広い勾配は官能性を減少させる。

優れた信号注入設計2から注入面積回路の大きさを知ることができる, 同じ板と同じ厚さを使用する. マイクロストリップ回路基板への共平面導波路, 図4の経験を使用する, 図4より良い結果を出す. 最も明白な改善はインピーダンス曲線の誘導ピークの除去である, 実際には、誘導ピークと容量谷の一部である. 適切な勾配線を使用することは、感度を増加させるために注入領域コプレーナ接地パッド結合を使用している間、感度ピークを最小にすることである. FIGにおける挿入損失曲線. 図5は、図5のそれよりも平滑である. 4 cと戻り損失曲線も改善された. 図4に示される例は、使用するマイクロストリップ回路に対して異なる結果を示す PCB材料 with 高周波エネルギー及びRF／マイクロ波PCB 誘電率または異なる厚さ, 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.