Teknologi Microwave - Kaedah suntikan isyarat PCB RF dan Microwave

Proses pemindahan tenaga frekuensi tinggi dan PCB RF/Microwave dari sambungan koaksial ke papan sirkuit cetak (PCB) sering disebut sebagai suntikan isyarat, dan ciri-cirinya sukar untuk diterangkan. Efisiensi pemindahan tenaga bervariasi sangat bergantung pada struktur sirkuit. Faktor seperti bahan PCB dan ketinggian dan julat frekuensi operasi, serta rancangan konektor dan interaksi dengan bahan sirkuit, boleh mempengaruhi prestasi. Performasi boleh diperbaiki dengan memahami Tetapan suntikan isyarat berbeza dan ulasan beberapa kes optimizasi kaedah suntikan isyarat RF dan microwave.

Mencapai suntikan isyarat yang efektif adalah berkaitan dengan rancangan, dan umumnya, optimasi jalur lebar lebih mencabar daripada optimasi jalur sempit. Secara umum, suntikan frekuensi tinggi menjadi lebih sukar kerana frekuensi meningkat dan mungkin menjadi lebih problematik kerana tebal bahan sirkuit meningkat dan kompleksiti struktur sirkuit meningkat.

Rancangan suntikan isyarat dan optimasi

Injeksi isyarat dari kabel dan konektor koaksial ke dalam PCB microstrip dipaparkan dalam Figur 1. Distribusi medan elektromagnetik (EM) melalui kabel dan sambungan koaksial adalah silindrik, sementara distribusi medan EM dalam PCB adalah planar atau segiempat. Dari satu medium ke yang lain, distribusi medan berubah untuk menyesuaikan kepada persekitaran baru, yang menyebabkan anomali. Perubahan bergantung pada jenis medium; - Contohnya, suntikan isyarat adalah dari kabel dan sambungan koaksial ke microstrip, pemandu gelombang koplanar tanah (GCP), atau strip. Jenis sambungan kabel bersamaan juga bermain peran penting.

Figur 1. Injeksi isyarat dari kabel dan sambungan koaksial ke microstrip

Optimisasi melibatkan beberapa pembolehubah. Memahami distribusi medan EM dalam kabel/sambungan koaksial adalah berguna, tetapi gelung tanah juga mesti dianggap sebahagian dari medium penyebaran. Ia biasanya berguna untuk mencapai penggantian impedance licin dari satu medium penyebaran ke yang lain. Memahami kapasitas dan reaksi induktif pada penghentian impedance membolehkan kita memahami prestasi sirkuit. Jika simulasi EM 3D (3D) boleh dilakukan, distribusi densiti semasa boleh dilihat. Selain itu, ia diinginkan untuk mempertimbangkan keadaan praktik berkaitan dengan kerugian radiasi.

Sementara gelung tanah antara sambungan penghantar isyarat dan PCB mungkin kelihatan tidak bermasalah, gelung tanah dari sambungan ke PCB sangat terus menerus, tetapi ini tidak sentiasa berlaku. Biasanya ada perlawanan permukaan kecil antara logam konektor dan PCB. Terdapat juga perbezaan kecil dalam konduktiviti elektrik antara penywelder yang menyambung bahagian-bahagian berbeza dan logam di bahagian-bahagian tersebut. Pada frekuensi RF dan microwave rendah, perbezaan kecil ini biasanya mempunyai kesan kecil, tetapi pada frekuensi yang lebih tinggi, mereka boleh mempunyai kesan yang signifikan pada prestasi. Panjang sebenar laluan aliran belakang mempengaruhi kualiti penghantaran yang boleh dicapai dengan kombinasi yang diberi sambungan dan PCB.

Seperti yang dipaparkan dalam Gambar 2A, gelung tanah kembali ke tempat penyambung mungkin terlalu panjang untuk garis transmisi microstrip tebal kerana tenaga elektromagnetik dipindahkan dari pins penyambung ke pemimpin isyarat dari PCB microstrip. Penggunaan bahan PCB dengan konstan dielektrik frekuensi tinggi boleh memperburuk masalah dengan meningkatkan panjang elektrik loop tanah. Sambungan laluan boleh menyebabkan masalah bergantung pada frekuensi, yang menyebabkan kecepatan fasa setempat dan perbezaan kapasitasi. @ info Kedua-duanya berkaitan dengan pengendalian di kawasan perubahan dan akan mempengaruhinya, yang menyebabkan perbezaan kehilangan kembalian. Idealnya, panjang gelung tanah patut dikurangkan sehingga tidak ada anomali impedance di kawasan suntikan isyarat. Perhatikan bahawa titik tanah sambungan yang dipaparkan dalam Figur 2A hanya wujud di bawah sirkuit, dan ini adalah kes terburuk. Banyak sambungan RF mempunyai pins tanah pada lapisan yang sama dengan isyarat. Dalam kes ini, PCB juga akan dirancang dengan pad pendaratan di sana.

Figure 2B menunjukkan panduan gelombang koplanar tanah ke sirkuit suntikan isyarat microstrip. Di sini, tubuh utama sirkuit ialah microstrip, tetapi kawasan suntikan isyarat ialah panduan gelombang koplanar tanah (GCP). String mikro emisi Coplanar berguna kerana ia mengurangi loop tanah dan mempunyai ciri-ciri lain yang berguna. Jika sambungan digunakan dengan pins tanah pada kedua-dua sisi pemimpin isyarat, ruang pin tanah mempunyai kesan yang signifikan pada prestasi. Ia telah menunjukkan bahawa jarak mempengaruhi balas frekuensi.

Figur 2. Sirkuit garis trasmis microstrip tebal dan laluan kembali tanah lebih panjang ke sambungan (a)

Panduan gelombang koplanar tanah ke sirkuit suntikan isyarat microstrip (b)

Dalam eksperimen dengan panduan gelombang koplanar ke microstrip berdasarkan Rogers 10mIL laminat tebal RO4350B, port panduan gelombang koplanar dengan ruang tanah yang berbeza tetapi jika tidak sambungan yang sama digunakan (lihat Figure 3). Penyambung A mempunyai selang pendaratan sekitar 0.030" dan penyambung B mempunyai selang pendaratan sekitar 0.064". Dalam kedua-dua kes, penyambung dikeluarkan pada sirkuit yang sama.

Figur 3. Uji panduan gelombang koplanar ke sirkuit microstrip menggunakan sambungan koaksial dengan port yang sama dengan selang pendaratan berbeza

Paksi-X adalah frekuensi, 5 GHz per grid. Pada frekuensi mikrogelombang rendah (< 5 GHz), prestasi sirkuit adalah sama, tetapi pada frekuensi yang lebih tinggi dari 15 GHz, prestasi sirkuit dengan selang pendaratan besar berkurang. Sambungan adalah sama, walaupun diameter pin kedua-dua model sedikit berbeza, sambungan B mempunyai diameter pin yang lebih besar dan direka untuk bahan PCB yang lebih tebal. Ini juga boleh membawa kepada perbezaan prestasi.

Kaedah sederhana dan berkesan untuk optimasi suntikan isyarat adalah untuk mengurangkan ketidakpadanan impedance dalam kawasan penghantaran isyarat. Lengkung impedance meningkat pada dasarnya kerana meningkat induksi dan jatuh kerana meningkat kapasitasi. Untuk garis transmisi microstrip tebal yang dipaparkan dalam Figur 2A (menganggap konstan dielektrik rendah bahan PCB, kira-kira 3.6), konduktor lebih luas - jauh lebih luas daripada konduktor dalaman konektor. Kerana perbezaan saiz besar antara pemimpin sirkuit dan pemimpin konektor, terdapat mutasi kapasitif yang kuat semasa transisi. Mutasi kapasitif biasanya boleh dikurangkan dengan mengurangi pemimpin sirkuit supaya mengurangi jarak saiz antara ia dan pin konektor koaksial. Menekatkan pemimpin PCB akan meningkatkan sensitifitinya (atau mengurangkan kapasitif, dengan itu mengurangi mutasi kapasitif dalam kurva impedance.

Kesan pada frekuensi berbeza mesti dianggap. Gradien lebih panjang memberikan lebih sensitif kepada frekuensi rendah. Contohnya, jika kehilangan kembalian adalah lemah pada frekuensi rendah dan terdapat punca impedance kapasitatif, garis gradien yang lebih panjang mungkin sesuai. Sebaliknya, gradien pendek mempunyai kesan yang lebih besar pada frekuensi tinggi.

Untuk struktur koplanar, kapasitas meningkat bila permukaan tanah bersebelahan mendekati. Secara umum, sensitiviti kawasan suntikan isyarat disesuaikan dalam band frekuensi yang sepadan dengan menyesuaikan jarak antara garis isyarat gradien dan tanah bersebelahan. Dalam beberapa kes, pads pendaratan sebelah panduan gelombang koplanar lebih luas sepanjang satu seksyen garis gradien untuk mengatur band frekuensi lebih rendah. Kemudian, jarak Narrows pada bahagian yang lebih luas garis gradien, dan bahagian yang lebih sempit tidak panjang untuk mempengaruhi band frekuensi tinggi. Secara umum, kecemasan gradien wayar meningkatkan sensasi. Panjang garis gradien mempengaruhi balas frekuensi. Kapensiensi boleh diubah dengan mengubah pads pendaratan sebelah gelombang koplanar. Jarak antara pads boleh mengubah balas frekuensi, yang bermain peran utama dalam perubahan kapasitif.

Kejadian

Figur 4 memberikan contoh sederhana. Figure 4A adalah garis transmisi microstrip tebal dengan gradien panjang dan sempit. Garis gradien adalah 0.018" (0.46 mm) lebar dan 0.110" (2.794 mm) panjang pada pinggir plat, Dan akhirnya menjadi lebar garis 50 ϯ 0.064" (1.626 mm) lebar. Dalam Gambar 4b dan 4c, panjang garis gradien menjadi lebih pendek. Sambungan terminal krimp medan digunakan dan tidak ditweld, jadi konduktor dalaman yang sama digunakan dalam setiap kes. garis trasmis microstrip adalah 2" (50.8mm) panjang dan mesin dalam 30 mil (0.76mm) tebal RO4350B? Permanen dielektrik bagi laminat sirkuit mikrogelombang ialah 3.66. Dalam Figur 4A, lengkung biru mewakili kerugian penyisihan (S21), yang banyak berubah. Sebaliknya, S21 dalam Figure 4c mempunyai jumlah paling sedikit perubahan. Lengkung ini menunjukkan bahawa semakin pendek gradien, semakin baik prestasi.

Figur 4. Performance of three microstrip circuits with different gradient lines; - Rancangan asal dengan gradien sempit (a), panjang gradien rendah (b), dan panjang gradien rendah (c)

Mungkin lengkung paling ilustrasi dalam Figure 4 menunjukkan kekuatan kabel, konektor, dan sirkuit (lengkung hijau). Gelombang maju besar dalam Figur 4A mewakili port sambungan 1 yang tersambung ke kabel koaksial, dan puncak lain pada lengkung mewakili sambungan di ujung lain sirkuit. Perubahan dalam lengkung impedance dikurangi dengan pendekatan garis gradien. Perbaikan persamaan impedance disebabkan peluasan dan ketat garis gradien di kawasan suntikan isyarat. Gradien yang lebih luas mengurangkan sensualiti.

Kita boleh belajar lebih banyak tentang saiz sirkuit kawasan suntikan dari rancangan suntikan isyarat yang baik 2, yang juga menggunakan plat yang sama dan tebal yang sama. Pemandu gelombang koplanar ke papan sirkuit microstrip, menggunakan pengalaman dalam Figur 4, menghasilkan keputusan yang lebih baik daripada dalam Figur 4. Perbaikan yang paling jelas adalah penghapusan puncak induktif dalam kurva impedance, yang sebenarnya sebahagian disebabkan puncak induktif dan lembah kapasitif. Mengguna garis gradien yang betul adalah untuk minimumkan puncak sensitiviti semasa menggunakan kawasan suntikan pad pendaratan koplanar untuk meningkatkan sensitiviti. Lengkung kehilangan penyisipan dalam FIG. 5 lebih lembut daripada dalam FIG. 4C dan lengkung kehilangan kembalinya juga diperbaiki. @ info Contoh yang dipaparkan dalam Gambar 4 menunjukkan keputusan yang berbeza untuk sirkuit garis mikro menggunakan bahan-bahan PCB dengan tenaga frekuensi tinggi dan konstan dielektrik PCB RF/Microwave atau tebal berbeza, atau untuk sirkuit garis mikro menggunakan jenis berbeza konektor.