마이크로웨이브 기술 - 무선 주파수 및 마이크로파 PCB 신호 주입 방법

고주파 에너지와 RF/마이크로파 PCB를 동축 커넥터에서 인쇄회로기판(PCB)으로 옮기는 과정을 일반적으로 신호 주입이라고 하는데 그 특성은 설명하기 어렵다.에너지 전달의 효율은 회로 구조에 따라 크게 달라진다.PCB 재료 및 두께 및 작동 주파수 범위, 커넥터 설계 및 회로 재료와의 상호 작용 등은 성능에 영향을 미칩니다.다양한 신호 주입 설정을 이해하고 RF 및 마이크로웨이브 신호 주입 방법의 최적화 사례를 검토하여 성능을 향상시킬 수 있습니다.

효과적인 신호 주입을 실현하는 것은 설계와 관련이 있으며, 일반적으로 광대역 최적화는 협대역 최적화보다 더 도전적이다.일반적으로 고주파 주입은 주파수가 증가함에 따라 더욱 어려워지며, 회로 재료의 두께가 증가하고 회로 구조의 복잡성이 증가함에 따라 더욱 문제가 될 수 있다.

신호 주입 설계 및 최적화

동축 케이블 및 커넥터에서 마이크로밴드 PCB로의 신호 주입은 그림 1과 같습니다.동축 케이블과 커넥터를 통한 전자기(EM) 필드 분포는 원통형이고 PCB 내의 EM 필드 분포는 평면 또는 직사각형이다.한 매체에서 다른 매체로 필드 분포가 변화하여 새로운 환경에 적응하여 이상을 초래한다.변경은 미디어 유형에 따라 다릅니다.예를 들어, 신호 주입은 동축 케이블과 커넥터에서 마이크로밴드, 접지공면파도(GCP) 또는 밴드에 이르는 것입니다.동축 케이블 커넥터의 유형도 중요합니다.

그림 1.동축 케이블과 커넥터에서 마이크로밴드로의 신호 주입

최적화에는 여러 변수가 포함됩니다.동축 케이블 / 커넥터 내의 전자장 분포를 이해하는 것은 유용하지만 접지 회로도 전파 매체의 일부로 간주되어야 합니다.일반적으로 하나의 전파 매체에서 다른 전파 매체로의 부드러운 임피던스 변환을 실현하는 것이 도움이 된다.임피던스가 연속되지 않는 곳의 커패시터와 센싱 임피던스를 이해하면 회로 성능을 이해할 수 있습니다.3D(3D) EM 시뮬레이션을 수행할 수 있는 경우 전류 밀도 분포를 관찰할 수 있습니다.또한 방사능 손실과 관련된 실제 조건을 고려하기 바랍니다.

신호 송신기 커넥터와 PCB 간 접지 회로에는 문제가 없을 것 같지만 커넥터에서 PCB까지의 접지 루프는 매우 연속적이지만 항상 그렇지는 않다.커넥터의 금속과 PCB 사이에는 일반적으로 표면 저항이 작습니다.서로 다른 부품을 연결하는 용접공과 이들 부품의 금속 사이의 전도성도 미미한 차이가 있다.낮은 무선 주파수와 마이크로파 주파수에서는 이러한 작은 차이가 일반적으로 작은 영향을 미치지만 높은 주파수에서는 성능에 큰 영향을 미칩니다.실제 회전 경로 길이는 커넥터와 PCB의 주어진 조합으로 구현할 수 있는 전송 품질에 영향을 미칩니다.

그림 2A와 같이 커넥터 핀에서 마이크로밴드 PCB의 신호 지시선으로 전자기 에너지가 이동하기 때문에 두꺼운 마이크로밴드 전송선의 경우 커넥터 케이스로 돌아가는 접지 회로가 너무 길 수 있습니다.고주파 개전 상수를 가진 PCB 소재를 사용하면 접지 회로의 전기 길이가 증가해 문제가 심화된다.경로 확장은 주파수 관련 문제를 초래하여 국부적인 위상 속도와 용량 차이를 초래할 수 있다.둘 다 변환 영역의 임피던스와 관련이 있으며 그에 영향을 미쳐 반향 손실의 차이를 초래합니다.이상적인 상황에서 접지 회로의 길이는 최소화해야 신호 주입 구역에 임피던스 이상이 존재하지 않도록 해야 한다.그림 2A에 표시된 커넥터의 연결 지점은 회로의 하단에만 있으며 이는 최악의 경우입니다.많은 RF 커넥터는 신호와 동일한 레이어에 접지 핀을 가지고 있습니다.이 경우 PCB도 그곳에 접지 패드를 설계할 것이다.

그림 2B는 접지 공면이 마이크로밴드 신호 주입 회로로 전도되는 것을 보여준다.여기서 회로의 본체는 마이크로밴드이지만 신호 주입 영역은 지공면전도(GCP)이다.공면 발사 마이크로밴드는 접지 회로를 최소화하고 다른 유용한 특성을 가지고 있기 때문에 유용합니다.커넥터가 신호 지시선 양쪽의 접지 핀과 함께 사용되는 경우 접지 핀 간격은 성능에 큰 영향을 미칩니다.연구에 따르면 거리는 주파수 응답에 영향을 줄 수 있습니다.

그림 2:두꺼운 마이크로밴드 전송선 회로 및 커넥터로의 긴 접지 회로 (a)

접지 공면파 마이크로밴드 신호 주입 회로 (b)

Rogers 10mIL 두께의 RO4350B 레이어 압판을 기반으로 한 공면파에서 마이크로밴드로 전도된 실험에서는 서로 다른 접지 간격을 가지지만 다른 면에서 비슷한 커넥터의 공면파 전도 포트가 사용되었다(그림 3 참조).커넥터 A의 접지 간격은 약 0.030", 커넥터 B의 접지 간격은 0.064"이다. 두 경우 모두 같은 회로에서 커넥터가 발사된다.

그림 3.서로 다른 접지 간격을 가진 유사한 포트의 동축 커넥터를 사용하여 마이크로밴드 회로로 공통 웨이브 테스트

X축은 주파수이며 그리드당 5GHz입니다.저마이크로파 주파수(<5GHz)에서는 회로의 성능이 동일하지만, 15GHz보다 높은 주파수에서는 접지 간격이 큰 회로의 성능이 악화한다.커넥터는 비슷합니다. 두 모델의 핀 지름은 약간 다르지만 커넥터 B의 핀 지름은 비교적 두꺼운 PCB 소재를 위해 설계되었습니다.이로 인해 성능 차이가 발생할 수도 있습니다.

신호 주입을 최적화하는 간단하고 효과적인 방법은 신호 전송 영역에서 임피던스 미스매치를 최소화하는 것이다.임피던스 곡선은 기본적으로 전기 감각의 증가로 인해 상승하고 용량의 증가로 인해 감소합니다.그림 2A에 표시된 두꺼운 마이크로밴드 전송선 (PCB 재료의 개전 상수가 낮다고 가정하면 약 3.6) 의 경우 도체가 더 넓어 커넥터의 내부 도체보다 훨씬 넓다.회로 지시선과 커넥터 지시선 사이의 크기 차이가 매우 크기 때문에 변환 중에 강력한 용량 돌연변이가 있습니다.커패시터 돌연변이는 일반적으로 회로 지시선을 가늘게 하여 동축 커넥터 지시선과의 크기 간격을 줄일 수 있습니다.PCB 지시선을 줄이면 민감도가 증가합니다 (또는 저항 곡선의 용량성 돌연변이를 상쇄하기 위해 용량성을 낮춥니다).

서로 다른 주파수에 대한 영향을 고려해야 한다.그라데이션이 길수록 저주파는 민감해진다.예를 들어, 반향 손실이 저주파에서 매우 나쁘고 커패시터 임피던스 피크가 있는 경우 긴 그라데이션이 적합할 수 있습니다.반면 짧은 그라데이션은 고주파에 큰 영향을 미친다.

공면 구조의 경우 인접 접지 표면이 가까워지면 커패시터가 증가합니다.일반적으로 그라데이션 신호선과 인접지 사이의 간격을 조정하여 해당 주파수 대역에서 신호 주입 영역의 민감도를 조정합니다.일부 경우 공통 평면 전도의 인접 접지 용접판은 낮은 주파수 대역을 조절하기 위해 그라데이션 선의 세그먼트를 따라 넓습니다.그런 다음 간격은 그라데이션 선의 넓은 부분에서 좁아지고 좁은 부분의 길이는 길지 않아 고주파 대역에 영향을 미칩니다.일반적으로 금속사의 경도가 좁아지면 감각이 증가한다.그라데이션 선의 길이는 주파수 응답에 영향을 줍니다.용량은 공면 전도의 인접 접지 용접판을 변경하여 변경할 수 있습니다.용접판 사이의 간격은 주파수 응답을 변경할 수 있으며 이는 용량의 변화에 중요한 역할을 합니다.

인스턴스

그림 4는 간단한 예를 제공합니다.그림 4A는 좁고 긴 사다리를 가진 두꺼운 마이크로밴드 전송선이다.보드 가장자리의 그라데이션 선가중치는 0.018"(0.46mm), 길이는 0.110"(2.794mm),마지막으로 0.064"(1.626mm) 너비의 50?선 너비로 변경되었습니다. 그림 4b와 4c에서 그라데이션 선의 길이는 짧아졌습니다. 용접이 아닌 필드 압착 단자 커넥터를 사용했기 때문에 각 상황에서 동일한 내부 도체를 사용합니다. 마이크로밴드 전송선 길이는 2"(50.8mm), 30mil(0.76mm) 두께의 RO4350B?마이크로웨이브 회로층 압판의 개전 상수는 3.66이다.그림 4A에서 파란색 곡선은 삽입 손실 (S21) 을 나타내며 그 파동이 매우 크다.반면 그림 4c의 S21은 가장 작은 파동량을 가지고 있다.이러한 커브는 그라데이션이 짧을수록 성능이 우수함을 나타냅니다.

그림 4.세 가지 서로 다른 경도선의 마이크로밴드 회로의 성능;좁은 경사 (a), 경사 길이 감소 (b) 및 경사 길이 추가 감소 원본 설계 (c)

아마도 그림 4에서 가장 잘 설명된 커브는 케이블, 커넥터 및 회로의 임피던스 (녹색 커브) 를 보여줍니다.그림 4A의 큰 양의 웨이브는 동축 케이블에 연결된 커넥터 포트 1을 나타내고 커브의 다른 피크는 회로의 다른 쪽 끝에 있는 커넥터를 나타냅니다.임피던스 커브의 파동은 그라데이션 단축을 통해 감소합니다.임피던스 일치의 개선은 신호 주입 영역의 그라데이션 선이 넓어지고 좁아졌기 때문입니다.더 넓은 경사로 섹시함이 떨어집니다.

우리는 우수한 신호 주입 설계 2에서 주입 영역 회로의 크기에 대해 더 많이 알 수 있으며, 이 설계도 같은 판과 같은 두께를 사용한다.그림 4의 경험을 사용하여 미대역 회로 기판에 공통 웨이브를 연결하면 그림 4보다 더 나은 결과를 얻을 수 있습니다.가장 뚜렷한 개선은 임피던스 곡선에서 감지 피크를 제거하는 것인데, 이는 사실상 부분적으로 감지 피크와 용량 밸리 때문이다.정확한 그라데이션 선을 사용하는 것은 민감도 피크를 최소화하는 동시에 주입구 공통면 접지 패드 결합을 사용하여 민감도를 높이기 위한 것이다.그림 5의 삽입 손실 곡선은 그림 4C의 것보다 더 매끄럽고 회파 손실 곡선도 개선됩니다.그림 4에서 볼 수 있는 예는 고주파 에너지 및 RF/마이크로파 PCB 개전 상수 또는 두께가 다른 PCB 소재를 사용하는 마이크로밴드 회로의 다른 결과 또는 다른 유형의 커넥터를 사용하는 마이크로밴드 회로를 보여줍니다.