PCBニュース - プリント基板上のPCB信号注入方法の解析

The process of transferring high-frequency energy from the coaxial コネクタ to the printed circuit board (PCB) is usually called signal injection, その特徴は記述するのが難しい. エネルギー伝達効率は異なる回路構造により大きく変化する. 要因 PCB材料 及びその厚さ及び動作周波数範囲, コネクタ設計と回路材料との相互作用は性能に影響する. 異なる信号注入設定の理解とRFおよびマイクロ波信号注入法のいくつかの最適化事例のレビュー, 性能を向上させることができる.

効果的な信号注入の達成は設計に関連する. 一般に, 広帯域最適化は狭帯域よりもチャレンジングである. 一般に, 周波数が高くなるにつれて高周波注入はより困難になる, また、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、さらに問題が生じる.
Signal injection design and optimization

The signal injection from the coaxial cable and コネクタ to the microstrip PCBボード 図1に示す. The electromagnetic (EM) field distribution through the coaxial cable and the connector is cylindrical, PCB中のEM電界分布は平坦であるか長方形である. つの伝播媒体からもう一つへ, フィールドの配布は、新しい環境に適応するように変更されます, 異常に終わる. 変化は媒体の種類によって決まる例えば, 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までであるかどうか, grounded coplanar waveguide (GCPW), またはストリップライン. 同軸ケーブルコネクタのタイプも重要な役割を果たす.

最適化はいくつかの変数を含む. 同軸ケーブル内の電磁界分布を理解することは有用である/connector, しかし、接地ループは伝播媒体の一部として考慮されなければならない. 通常、1つの伝搬媒体から他のものへの滑らかなインピーダンス遷移を実現するのに役立つ. インピーダンス不連続における容量性および誘導性リアクタンスを理解することにより、回路動作を理解できる. If three-dimensional (3D) EM simulation can be performed, 電流密度分布を観測できる. 加えて, 放射線損失に関する実際の状況を考慮するのが最善です.
信号送信機コネクタとPCBの間のグランドループは問題ではないかもしれないが, そして、コネクタからPCBまでのグランドループは非常に連続的である, 必ずしもそうではない. 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. また、これらの部品の異なる部分と金属を接続するはんだ付け工場の電気伝導度には小さな違いもあります. 低RFとマイクロ波周波数で, これらの小さな違いの影響は、通常小さいです, しかし、性能への影響は、より高い周波数で大きい. グランドリターンパスの実際の長さは、与えられたコネクタおよびPCB組合せによって、なしとげられることができる伝送品質に影響を及ぼす.

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の信号線に移されるとき, コネクタハウジングへの接地ループは、厚いマイクロストリップ伝送線路に対して長すぎる. の使用 PCB材料 with a higher dielectric constant will increase the electrical length of the ground loop, それによって問題を悪化させる. パス拡張は周波数依存問題を引き起こす, これにより、局部位相速度および容量差が生じる. 両方とも変換領域のインピーダンスに関連して、それに影響を及ぼします, リターン損失の違いに終わる. 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に示されたコネクタの接地点は回路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, 接地パッドもPCB上に設計されている.
図2 Bは、接地された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100を示す. ヒア, 回路の本体はマイクロストリップである, but the signal injection area is grounded coplanar waveguide (GCPW). コプレーナ発光マイクロストリップは、接地ループを最小にするので有用である. 信号線の両側に接地ピンを持つコネクタを使用する場合, 接地ピン間隔は性能に重大な影響を及ぼす. この距離が周波数応答に影響することを示した.

Rogersの10ミル厚のRO 450 B積層体に基づくコプレーナ導波路からマイクロストリップマイクロストリップを実験するとき、コプレーナ導波路ポートと他の部品との間の異なる接地距離を有する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送信する。

x軸は周波数を表す, 分割あたり5 GHz. When the microwave frequency 低いer (< 5 GHz), 性能は同等である, しかし、周波数が15 GHzより高いとき, 接地間隔が大きい回路の性能は悪化する. 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のピン直径はより大きく、より厚くなるように設計されている PCB材料. これはまた、パフォーマンスの違いを引き起こす可能性があります.
簡単で効果的な信号注入最適化法は、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起因する, インピーダンス曲線の減少はキャパシタンスの増加による. For the thick microstrip transmission line shown in Figure 2a (assuming that the dielectric constant of the PCB材料 is low, アバウト3.6), ワイヤはコネクタの内部導体よりもずっと広い. 回路ワイヤ及びコネクタワイヤの寸法が大きく異なるため, 遷移中に強い容量性突然変異が起こる. 通常、同軸コネクタのピンに接続されている場所で形成されるサイズギャップを小さくするために、回路ワイヤを徐々にテーパーすることによって容量性突然変異を低減することが可能である. 狭まり PCB線 will increase its inductance (or decrease its capacitance, インピーダンス曲線の容量性突然変異を相殺するために.
異なる周波数への影響を考慮しなければならない. より長い階調線は低周波生産により敏感になる. 例えば, 低損失でリターン損失が貧弱であり、同時に容量性インピーダンススパイクがある場合, より長い勾配線を使用することは、より適切である. 逆に, より短い勾配線は、高周波数により大きな影響を有する.

共平面構造, 隣接する接地面が近接しているとき、キャパシタンスは増加する. 通常, 信号注入領域の誘導容量は、漸次信号線と隣接するグランドプレーンとの間の距離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テーパーラインのセクション上でより広い. Then, グラデーションラインの広い部分でピッチが狭くなる, そして、より狭い周波数バンドに影響を及ぼすためにより狭い部分の長さは長くない. 一般的に言えば, ワイヤ勾配の狭まりは感度を増加させる. 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する接地パッドを変化させることにより、キャパシタンスを変化させることができる. パッド間隔は周波数応答を変えることができる, 静電容量の変化には大きな役割がある.
Instance

Figure 4 provides a simple example. 図4 Aは、細長い細長い線を有す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 at the edge of the board, 0.110" (2.794 mm) long, そして最終的には50.064" (1.626 mm) wide. 図4 Bおよび4 Cでは, 勾配線の長さを短くする. フィールド圧着端子コネクタは選択され、はんだ付けされない, 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" (50.8 mm) long and is processed in a 30mil (0.76 mm) thick RO4350B? ラミネート上のマイクロ波回路, 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. 対照的に, 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線が短いことを示す, パフォーマンスが高い.

ケーブルのインピーダンスは、図4の最も例示的な曲線である, connector, and circuit (green curve). 図4 Aの大きな前方波ピークは、同軸ケーブル22に接続されたコネクタポート1を表す, そして、曲線上の他のピークは、回路の他端のコネクタを表す. 緩やかな変化線の短縮によりインピーダンス曲線の変動が減少する. インピーダンス整合の改善は、信号注入領域の階調線が広く狭くなるためである。より広い階調線はインダクタンスを減少させる.
優れた信号注入設計2から注入領域の回路サイズを知ることができる. この回路も同じ板と同じ厚さを使用します. コプレーナ導波路型マイクロストリップ回路, 図4の経験の使用を通して, 図4より良い効果を生み出した. 最も明白な改善はインピーダンス曲線の誘導ピークを除去することである. 事実上, これはいくつかの誘導ピークと容量性谷に起因する. 誘導勾配を最小化するために正しい勾配線を用いる, インダクタンスを増加させるために注入領域にコプレーナ接地パッド結合を使用する. 図5の挿入損失曲線は、図4 Cの挿入損失曲線よりも滑らかである, また、戻り損失曲線も改善されます. マイクロストリップ回路用 PCB材料 with higher dielectric constants or different thicknesses, コネクタを用いたマイクロストリップ回路, 図4に示す例の結果は異なる.
信号注入は非常に複雑な問題である, 多くの異なる要因に影響される. この例とこれらのガイドラインは、デザイナーが基本原則を理解するのを助けるように設計されています.