Công nghệ vi sóng - Phương pháp truyền tín hiệu PCB RF và vi sóng

Quá trình truyền năng lượng tần số cao và PCB RF/vi sóng từ đầu nối đồng trục sang bảng mạch in (PCB) thường được gọi là truyền tín hiệu và đặc điểm của nó rất khó mô tả. Hiệu quả của việc truyền năng lượng khác nhau tùy thuộc vào cấu trúc mạch. Các yếu tố như vật liệu PCB, độ dày và dải tần số hoạt động, cũng như thiết kế đầu nối và tương tác của nó với vật liệu mạch đều ảnh hưởng đến hiệu suất. Hiệu suất có thể được cải thiện bằng cách hiểu các cài đặt truyền tín hiệu khác nhau và xem xét một số trường hợp tối ưu hóa cho các phương pháp truyền tín hiệu RF và vi sóng.

Để đạt được hiệu quả truyền tín hiệu có liên quan đến thiết kế, và nói chung, tối ưu hóa băng thông rộng là một thách thức hơn so với tối ưu hóa băng thông hẹp. Nói chung, tiêm tần số cao trở nên khó khăn hơn khi tần số tăng lên và nhiều vấn đề hơn có thể xảy ra khi độ dày vật liệu mạch tăng và độ phức tạp của cấu trúc mạch tăng lên.

Thiết kế và tối ưu hóa truyền tín hiệu

Truyền tín hiệu từ cáp đồng trục và đầu nối đến microband PCB được thể hiện trong Hình 1. Sự phân bố trường điện từ thông qua cáp đồng trục và đầu nối là hình trụ, trong khi sự phân bố trường điện từ bên trong PCB là phẳng hoặc hình chữ nhật. Từ môi trường này sang môi trường khác, phân bố trường thay đổi để phù hợp với môi trường mới, dẫn đến ngoại lệ. Thay đổi phụ thuộc vào loại phương tiện; Ví dụ, truyền tín hiệu là từ cáp đồng trục và đầu nối đến microband, ống dẫn sóng mặt đất (GCP) hoặc dải. Các loại đầu nối cáp đồng trục cũng đóng một vai trò quan trọng.

Hình 1. Truyền tín hiệu từ cáp đồng trục và đầu nối đến microband

Tối ưu hóa liên quan đến nhiều biến số. Hiểu được sự phân bố của trường điện từ trong cáp/đầu nối đồng trục là hữu ích, nhưng các mạch nối đất cũng phải được coi là một phần của phương tiện truyền thông. Nó thường hữu ích để đạt được một quá trình chuyển đổi trở kháng trơn tru từ phương tiện truyền thông này sang phương tiện truyền thông khác. Hiểu được điện dung và điện trở cảm trong sự gián đoạn của trở kháng cho phép chúng ta hiểu được hiệu suất mạch. Nếu mô phỏng EM 3D (3D) có thể được thực hiện, sự phân bố mật độ hiện tại có thể được quan sát. Ngoài ra, tốt nhất nên xem xét các tình huống thực tế liên quan đến mất bức xạ.

Mặc dù vòng nối đất giữa đầu nối phát tín hiệu và PCB có vẻ không có vấn đề gì, nhưng vòng nối đất từ đầu nối đến PCB rất liên tục, nhưng điều này không phải lúc nào cũng đúng. Thường có một điện trở bề mặt nhỏ giữa kim loại của đầu nối và PCB. Cũng có một sự khác biệt nhỏ về độ dẫn giữa thợ hàn kết nối các bộ phận khác nhau và kim loại trong các bộ phận này. Ở tần số vô tuyến thấp và tần số vi sóng, những khác biệt nhỏ này thường có tác động nhỏ, nhưng ở tần số cao hơn, chúng có thể có tác động đáng kể đến hiệu suất. Chiều dài thực tế của đường dẫn reflow ảnh hưởng đến chất lượng truyền tải có thể đạt được bằng cách kết hợp đầu nối và PCB nhất định.

Như thể hiện trong Hình 2A, khi năng lượng điện từ được truyền từ chân kết nối đến dây dẫn tín hiệu Micro-band PCB, vòng nối đất trở lại vỏ kết nối có thể quá dài đối với dây truyền Micro-band dày. Việc sử dụng vật liệu PCB với hằng số điện môi tần số cao làm tăng chiều dài điện của mạch nối đất, do đó làm trầm trọng thêm vấn đề. Việc mở rộng đường dẫn có thể gây ra các vấn đề liên quan đến tần số, dẫn đến sự khác biệt về tốc độ pha cục bộ và điện dung. Cả hai đều liên quan đến trở kháng của vùng chuyển đổi và có thể ảnh hưởng đến nó, dẫn đến sự khác biệt về mất mát trở lại. Lý tưởng nhất, chiều dài của vòng nối đất nên được giảm thiểu để khu vực truyền tín hiệu không có bất thường trở kháng. Lưu ý rằng điểm nối của đầu nối được hiển thị trong Hình 2A chỉ nằm ở dưới cùng của mạch, đây là trường hợp xấu nhất. Nhiều đầu nối RF có chân nối đất nằm cùng lớp với tín hiệu. Trong trường hợp này, PCB cũng sẽ thiết kế một mặt đất pad ở đó.

Hình 2B cho thấy một mạch truyền tín hiệu microband từ sóng đồng diện nối đất. Ở đây, cơ thể chính của mạch là microband, nhưng khu vực truyền tín hiệu là ống dẫn sóng đồng diện nối đất (GCP). Các dải phát xạ chung rất hữu ích vì chúng giảm thiểu các mạch nối đất và có các tính năng hữu ích khác. Khoảng cách giữa các chân nối đất có ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất nếu đầu nối được sử dụng với các chân nối đất ở cả hai bên của dây dẫn tín hiệu. Nghiên cứu cho thấy khoảng cách ảnh hưởng đến phản ứng tần số.

Sơ đồ 2: Mạch dây microband dày và mạch nối đất dài hơn (a)

Hướng dẫn sóng chung mặt đất đến mạch truyền tín hiệu microband (b)

Các cổng dẫn sóng chung với các khoảng cách nối đất khác nhau nhưng tương tự như các đầu nối đã được sử dụng trong các thí nghiệm dựa trên các tấm laminate RO4350B dày 10 mIL của Rogers để Microband (xem Hình 3). Đầu nối A có khoảng cách nối đất khoảng 0,030 inch và đầu nối B có khoảng cách nối đất khoảng 0,064 inch. Trong cả hai trường hợp, các kết nối được bắn trên cùng một mạch.

Hình 3. Kiểm tra ống dẫn sóng đồng mặt đến mạch vi sóng bằng cách sử dụng đầu nối đồng trục với các cổng tương tự với các khoảng nối đất khác nhau

Trục X là tần số, 5 GHz mỗi lưới. Ở tần số vi sóng thấp (<5 GHz), hiệu suất của mạch là như nhau, nhưng ở tần số trên 15 GHz, hiệu suất của mạch với khoảng cách mặt đất lớn hơn sẽ giảm. Các đầu nối là tương tự, mặc dù đường kính pin hơi khác nhau giữa hai mô hình, kết nối B có đường kính pin lớn hơn và được thiết kế cho vật liệu PCB dày hơn. Điều này cũng có thể dẫn đến sự khác biệt về hiệu suất.

Một cách đơn giản và hiệu quả để tối ưu hóa truyền tín hiệu là giảm thiểu sự không phù hợp trở kháng trong khu vực truyền tín hiệu. Đường cong trở kháng về cơ bản tăng lên do tăng điện cảm và giảm do tăng điện dung. Đối với các đường truyền microband dày được hiển thị trong Hình 2A (giả sử vật liệu PCB có hằng số điện môi thấp, khoảng 3,6), dây dẫn rộng hơn - rộng hơn nhiều so với dây dẫn bên trong của đầu nối. Do kích thước rất khác nhau giữa dây dẫn mạch và dây dẫn đầu nối, đột biến điện dung mạnh xảy ra trong quá trình chuyển đổi. Đột biến điện dung thường có thể được giảm bằng cách làm mỏng dần các dây dẫn mạch để giảm khoảng cách kích thước giữa chúng và chân kết nối đồng trục. Thu nhỏ dây dẫn PCB sẽ làm tăng độ nhạy của nó (hoặc giảm điện dung, do đó bù đắp các đột biến điện dung trong đường cong trở kháng.

Ảnh hưởng đến các tần số khác nhau phải được xem xét. Gradient dài hơn nhạy cảm hơn với tần số thấp. Ví dụ, nếu mất mát trở lại là xấu ở tần số thấp và có một gai trở kháng điện dung, một đường gradient dài hơn có thể phù hợp. Ngược lại, gradient ngắn hơn có ảnh hưởng lớn hơn đến tần số cao.

Đối với các cấu trúc chung, điện dung tăng lên khi các bề mặt đất liền kề gần nhau. Thông thường, độ nhạy của vùng truyền tín hiệu được điều chỉnh trong băng tần tương ứng bằng cách điều chỉnh khoảng cách giữa các đường tín hiệu gradient và các đường đất liền kề. Trong một số trường hợp, mặt đất liền kề của ống dẫn sóng chung rộng hơn dọc theo một phần của đường gradient để điều chỉnh các dải tần số thấp. Khoảng cách sau đó thu hẹp ở phần rộng hơn của đường gradient và chiều dài của phần hẹp hơn không dài, ảnh hưởng đến dải tần số cao. Nói chung, việc thu hẹp gradient làm tăng cảm giác. Độ dài của đường gradient ảnh hưởng đến đáp ứng tần số. Điện dung có thể được thay đổi bằng cách thay đổi hướng dẫn sóng mặt đất liền kề. Khoảng cách giữa các tấm hàn có thể thay đổi phản ứng tần số, đóng một vai trò quan trọng trong sự thay đổi điện dung.

Ví dụ

Hình 4 cung cấp một ví dụ đơn giản. Hình 4A là một đường truyền microband dày với gradient hẹp và dài. Đường gradient có chiều rộng 0,018 inch (0,46 mm) tại các cạnh của tấm và chiều dài 0,110 inch (2,794 mm), cuối cùng trở thành chiều rộng đường 50π rộng 0,064 inch (1,626 mm). Trong Hình 4B và 4C, chiều dài của đường gradient trở nên ngắn hơn. Đầu nối đầu cuối uốn trường được sử dụng thay vì hàn, vì vậy cùng một dây dẫn bên trong được sử dụng trong mọi trường hợp. Đường truyền Microband dài 2 inch (50,8 mm) và RO4350B dày 30 mm (0,76 mm)? Hằng số điện môi của microwave circuit laminate là 3,66. Trong hình 4A, đường cong màu xanh biểu thị tổn thất chèn (S21), dao động mạnh. Ngược lại, S21 trong hình 4c có biến động tối thiểu. Những đường cong này cho thấy gradient càng ngắn thì hiệu suất càng tốt.

Hình 4. Hiệu suất của ba mạch vi dải gradient khác nhau; Thiết kế ban đầu có độ dốc hẹp (a), độ dài dốc giảm (b) và khoảng cách dốc giảm hơn nữa (c)

Có lẽ đường cong minh họa nhất trong Hình 4 cho thấy trở kháng (đường cong màu xanh lá cây) của cáp, đầu nối và mạch. Sóng chuyển tiếp lớn trong Hình 4A đại diện cho cổng kết nối 1 được kết nối với cáp đồng trục và đỉnh khác trên đường cong đại diện cho đầu nối ở đầu kia của mạch. Biến động của đường cong trở kháng được giảm bằng cách rút ngắn đường gradient. Cải thiện phù hợp trở kháng là do mở rộng và thu hẹp các đường gradient trong vùng truyền tín hiệu. Gradient rộng hơn làm giảm trải nghiệm cảm giác.

Chúng ta có thể tìm hiểu thêm về kích thước của mạch khu vực tiêm từ Thiết kế tiêm tín hiệu tuyệt vời 2, cũng sử dụng cùng một tấm và cùng độ dày. Sử dụng kinh nghiệm trong Hình 4, kết nối ống dẫn sóng chung với bảng mạch microband có thể tạo ra kết quả tốt hơn Hình 4. Cải tiến rõ ràng nhất là loại bỏ các đỉnh điện cảm trong đường cong trở kháng, thực sự một phần là do đỉnh điện cảm và thung lũng điện dung. Các đường gradient chính xác được sử dụng để giảm thiểu các đỉnh độ nhạy trong khi sử dụng khớp nối đĩa mặt đất chung vùng tiêm để tăng độ nhạy. Đường cong mất chèn trong Hình 5 mượt mà hơn trong Hình 4C và đường cong mất mát trở lại cũng được cải thiện. Ví dụ minh họa trong Hình 4 cho thấy các kết quả khác nhau của việc sử dụng các mạch microband với năng lượng tần số cao và hằng số điện môi RF/Microwave PCB hoặc vật liệu PCB có độ dày khác nhau hoặc các mạch microband sử dụng các loại đầu nối khác nhau.