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高頻微波技術

高頻微波技術 - 射頻PCB的訊號注入與優化管道

高頻微波技術

高頻微波技術 - 射頻PCB的訊號注入與優化管道

射頻PCB的訊號注入與優化管道
2023-03-29
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Author:PCB      分享文章

將高頻能量從同軸連接器傳遞到印刷電路板(PCB)的過程通常被稱為訊號注入,它的特徵難以描述。 能量傳遞的效率會因電路結構不同而差异懸殊。 PCB資料及其厚度和工作頻率範圍等因素,以及連接器設計及其與電路資料的相互作用都會影響效能。 通過對不同訊號注入設定的瞭解,以及對一些射頻微波訊號注入方法的優化案例的回顧,效能可以得到提升。


實現有效的訊號注入與設計相關,一般寬帶優化比窄帶更有挑戰性。 通常高頻注入隨著頻率升高而更加困難,同時也可能隨電路資料的厚度新增,電路結構的複雜性新增而有更多問題。


射頻PCB訊號注入設計與優化

從同軸電纜和連接器到微帶PCB的訊號注入。 穿過同軸電纜和連接器的電磁(EM)場分佈呈圓柱形,而PCB內的EM場分佈則是平面或矩形。 從一種傳播介質進入另一種介質,場分佈會改變以適應新環境,從而產生异常。 改變取決於介質類型; 例如,訊號注入是從同軸電纜和連接器到微帶、接地共面波導(GCPW),還是帶線。 同軸電纜連接器的類型也起著重要作用。


射頻PCB訊號注入設計與優化

從同軸電纜和連接器到微帶的訊號注入

優化涉及幾個變數。 瞭解同軸電纜/連接器內EM場分佈很有用,但還必須將接地回路視為傳播介質的一部分。 它對實現從一種傳播介質到另一種傳播介質的平穩阻抗轉變通常是有幫助的。 瞭解阻抗不連續點處的容抗和感抗讓我們能够理解電路表現。 如果能够進行三維(3D)EM模擬,就可以觀察到電流密度分佈。 此外,最好將與輻射損耗有關的實際情況也考慮其中。


雖然訊號發射連接器和PCB之間的接地回路可能看上去不成問題,從連接器到PCB的接地回路非常連續,但並不總是如此。 連接器的金屬和PCB之間通常存在著很小的表面電阻。 連接不同部件的焊店和這些部件的金屬的電導率也有很小的差异。 在RF和微波頻率較低時,這些小差异的影響通常較小,但是頻率較高時對效能的影響很大。 地回流路徑的實際長度會影響利用給定的連接器和PCB組合能够實現的傳輸質量。


在電磁波能量從連接器引脚傳遞到微帶PCB的訊號導線時,回到連接器外殼的接地回路對於厚微帶傳輸線來說可能會太長。 採用介電常數較高的PCB資料會新增接地回路的電長度,從而使問題惡化。 通路延長會引發具有頻率相關性的問題,進而產生局部的相速和電容差异。 二者都與變換區內的阻抗相關,並且會對其產生影響,從而產生回波損耗差异。 理想情况下,接地回路的長度應最小化,使得訊號注入區不存在阻抗异常。 請注意,圖2a所示之連接器的接地點只存在於電路底部,而這是最糟糕的情况。 很多RF連接器的接地引脚與訊號在同一層。 這種情況下,PCB上也會設計接地焊盤在那裡。


下圖展示了接地共面波導轉微帶訊號注入電路,在這裡,電路的主體是微帶,但訊號注入區是接地共面波導(GCPW)。 共面發射微帶很有用,因為它能够將接地回路最小化,並且還具有其它有用特性。 如果使用訊號導線兩邊均有接地引脚的連接器,那麼接地引脚間距對效能有重大影響。 已經證明該距離影響頻率回應。


微帶訊號

厚微帶傳輸線電路和較長的到連接器的地回流路徑(a)

接地共面波導轉微帶的訊號注入電路(b)

在利用基於羅傑斯公司10mil厚RO4350B層壓板的共面波導轉微帶微帶進行實驗時,使用了共面波導口接地間距不同,但其他部分類似的連接器。 連接器A的接地間隔約為0.030“,而連接器B的接地間隔為0.064”。 這兩種情况下,連接器發射到同一電路上。


測試共面波導轉微帶電路

利用具有不同接地間隔的類似埠的同軸連接器測試共面波導轉微帶電路

x軸表示頻率,每格5 GHz。 微波頻率較低(< 5 GHz)時,效能相當,但頻率高於15 GHz時,接地間隔較大的電路效能變差。 連接器類似,雖然這2種型號的引脚直徑稍有不同,連接器B的引脚直徑較大並且設計用於較厚的PCB資料。 這也可能會導致效能差异。


簡單且有效的訊號注入優化方法就是將訊號發射區內的阻抗失配最小化。 阻抗曲線上升基本上是由於電感新增,而阻抗曲線下降則是因為電容新增。 對於厚微帶傳輸線(假設PCB資料的介電常數較低,約為3.6),導線較寬-比連接器的內導體寬得多。 由於電路導線和連接器導線的尺寸差異較大,所以轉變時會出現很强的容性突變。 通常可以通過將電路導線逐漸變細以便减小它與同軸連接器引脚連接的地方形成的尺寸差距,來减小容性突變。 將PCB導線變窄會新增它的感性,或者降低容性,從而抵消阻抗曲線內的容性突變。


必須考慮對不同頻率的影響。 較長的漸變線會對低頻產更强的感性。 例如,如果在低頻回損較差,同時有一個容性阻抗尖峰,此時使用較長的漸變線就比較合適。 反之,較短的漸變線對高頻的作用就比較大。


對於共面結構,相鄰接地面靠近時會新增電容。 通常,通過對漸變訊號線和相鄰接地面間隔大小的調節,來在相應頻段調節訊號注入區的感性容性。 某些情况下,共面波導的相鄰接地焊盤在漸變線的一段上較寬,以調節較低的頻段。 然後,間距在漸變線較寬的部分變窄,變窄的部分長度不長,以影響較高頻段。 一般來說,導線漸變線變窄會新增感性。 漸變線的長度影響頻率回應。 改變共面波導的鄰近接地焊盤能够改變容性,焊盤間距之所以能够改變頻響,其中對容性的改變起了主要作用。