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行業動態
為5G和WiGig測試實現透明化連接
發布日期:2019-1-20    點擊率:1001

隨著應用達到更高的頻率,需要正確的工具來開發有效的連接器接口。

透明的電路板接口是許多新項目的關鍵——而你甚至都沒有注意到它。這種連接器到板的接口被稱為電路板“發射(launc)”,其中RF能量從連接器轉換到電路板。圖1顯示了一個典型的設計,在電路板邊緣有2.92毫米接口的40 GHz連接器。

電路板邊緣 2.92毫米接口的40 GHz連接器

圖1.圖為1:16威爾金森分頻器設計,采用了2.92毫米連接器。

對于轉向更高頻率(即20 GHz及更高頻率范圍)的設計人員來說,將SMA連接器視為集總50Ω元件,并使用標準尺寸機械地連接到印刷電路板(PCB)將不能滿足需求。對于這些設計,現在通常需要使用3D電磁(EM)軟件工具,例如COMSOL提供的工具。

設計師可以使用的3D工具

借助多年來可用的3D EM軟件工具,設計連接器到板的發射設計變得更加容易。最近微波連接器供應商的支持還在增加。

許多微波連接器公司現在提供可以導入3D EM軟件工具的高頻連接器的3D模型。其中一些公司提供的模型只能與特定的3D EM軟件包兼容。收取模型也可能需要付費。而另一種方案是,Signal Microwave這種通用的模型,它可用于任何3D EM軟件包。

許多3D解算器包中也提供PCB材料信息。通過提供普通高頻板材料的參考設計,Signal Microwave則超越了這一點。這些參考設計由Signal Microwave優化,采用通用的CAD格式,可以導入許多3D軟件工具中??蛻艨梢詮倪@些參考設計開始,并使用他們自己的軟件工具進行評估。然后可以按原樣使用設計,或進行修改以更好地滿足客戶對最終性能的要求。

對3D模型的需求

在2D電路仿真器中,可以使用S參數對在高頻下工作的PCB上的組件進行建模。而對于同軸連接器到PCB的轉換,并不能這樣來處理。連接器中的轉換線幾何形狀是同軸的(圓形)。但在板上,這種幾何形狀是平面的。正確建模這兩種轉換線類型如何直接相互作用,從而解決轉換線模式從同軸到平面變化的復雜性,需要采用3D EM解算器。

從板材開始設計

連接器兼容各種電路板厚度和介電常數。電路板的目的將決定電路板材料、介電常數和電介質厚度要求等參數。工業上用于高頻設計的普通電路板材料的厚度范圍為4密耳(0.004英寸)至12密耳(0.012英寸),相對介電常數范圍為3.0至3.5??纯催@些參數,今天的高頻連接器幾何形狀可以很好地匹配。

在開始實際設計之前,這是一份所需知識的快速清單:

l 板上的組件和功能列表

l 確定要匹配的線寬

l 確定損耗和功率要求

l 選擇轉換線結構

l 選擇合適的基材

l 選擇合適的連接器

設計實例

圖2顯示了Signal Microwave公司ELF67-001連接器和8密耳厚度的Rogers RO4003 PCB之間的接地共面波導(GCPW)轉換的70-GHz帶寬發射設計。

本設計揭示了70-GHz帶寬發射設計的關鍵細節

圖2.本設計揭示了70-GHz帶寬發射設計的關鍵細節。

設計的關鍵要素包括:

l 尺寸、位置和間距

l 電路接地間距以匹配連接器

l 可創建50Ω轉換線的信號線寬度

l 信號線(錐形)補償,以考慮連接器引腳

如何設置仿真

圖3顯示了一個短轉換線結構,其中任一側都有連接器的3D模型。Signal Microwave提供其板載連接器發射部分的3D模型。COMSOL Multiphysics軟件是一個3D建模軟件包,其庫中包含許多這些模型以及常見的電路板材料。使用這種結構,可以輕松設置可用于優化電路板設計的雙端口仿真模型。

帶有連接器的轉換線結構模型,使用COMSOL Multiphysics軟件創建

圖3.這是一個帶有連接器的轉換線結構模型,使用COMSOL Multiphysics軟件創建。

在每個連接器仿真模型兩端創建帶連接器的直通線,并在末尾創建端口,將能夠實現可測量的仿真結構。優化轉換的最有效方法是在要優化部分的兩側定義盡可能接近的端口。這將需要在電路板的轉換線中創建端口。

邊緣發射連接器的內導體和外導體之間的區域填充有電介質。這里,該電介質是Neoflon,其介電常數為2.5。所有金屬部件,包括邊緣發射連接器、GCPW、金屬化過孔和接地平面,都被建模為適用于低頻原型的完美電導體(PEC)。

為了考慮較高頻率下的損耗因子和表面粗糙度,無損PEC條件由轉換邊界條件和阻抗邊界條件代替。整個建模域由散射邊界條件定義,它代表一個開放空間。

為了使所有域與四面體網格進行網格化,所以選擇物理控制的網格;最大元素大小是每個波長五個元素,以便波形被很好地解析。最大網格尺寸由介電基板中的材料特性自動縮放。邊緣發射連接器中的部件采用更精細的分辨率手動網格化,以提供曲面的良好分辨率。

優化連接器到PCB的轉換

從同軸電纜到PCB的能量流動如圖4所示。該簡化表示僅顯示轉換線空氣部分的能量。大量的能量在襯底中并且從連接器的電介質轉換到頂部和底部導體之間的襯底。

從連接器到印刷電路板(PCB)的能量流動

圖4.該圖說明了從連接器到印刷電路板(PCB)的能量流動。

為了在更高頻率下完全捕獲這種轉換的復雜性,需要用到3D仿真工具。創建模型并設置端口以測量能量流(S參數)之后,就可以優化發射設計。

不連續源

引腳在信號線上

連接器的引腳為電路板的電氣連接部分增加了電容(再次參見圖4)。如果引腳被焊接,則該電容會增加。因此,不建議焊接。需要調整PCB連接器接觸的信號線,以減少額外電容的影響(再次參見圖2)。

連接器的接地與PCB接觸

對于GCPW,頂部接地間距可以與連接器的接地接觸點匹配。而微帶線沒有頂部接地。這意味著沒有太多優化來提高性能。如果將短GCPW部分添加到微帶線的邊緣,則會創建一個可以對連接器進行優化的結構。

最大的不連續性發生在連接器的發射銷和板邊緣之間的部分。為了仿真這一點,TEM模式場在同軸型集總端口、端口1處被激勵。然后該場通過端口1邊緣發射連接器傳輸,并激勵GCPW上的平面模式。共面波導中的對稱電場從中心導體向外限制在每側和下面的導體上。偵聽器端口(端口2)也由相同類型的同軸集總端口進行端接。

需要經過培訓的軟件操作員

運行仿真的人員需要了解RF轉換線的基本知識。有了這些知識,人們就可以正確地監督實施,然后監督仿真的結果。該軟件能夠快速、輕松地探索用戶定義的一系列設計特征,并為每個特定的特征組合提供數據。

但是,它不能告訴用戶不需要添加設計中的功能,或者必須刪除設計中的功能。這些決定必須由用戶做出。然后可以修改設計以通過仿真進行進一步分析。通過這種方式,軟件工具可用于識別優化設計并探索設計中的靈敏性。

靈敏性分析

用戶需要了解電路板制造過程中固有的電路板處理技術和差異。了解制造過程中保持公差的優缺點可以指導用戶進行靈敏度分析。人們應該嘗試使最困難的電路板處理功能在設計中最不靈敏。

結論

項目將受益于精心設計的電路板發射。如果沒有有效且良好的能量轉換進出電路板,電路板或電路板上的元件的性能就無法正確確定。在測試中,當組件由于連接器到板轉換性能導致的測試結果降級而失敗時,失效會增加。在設計驗證中,測試結果的準確性也會提高。

在性能至關重要的項目中,可實現高性能電路板發射和輸電線路。雖然不是“透明”,但它足夠接近連接器轉換不會干擾電路板測量。

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