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行业动态
为5G和WiGig测试实现透明化连接
发布日期:2019-1-20    点击率:798

随着应用达到更高的频率,需要正确的工具来开发有效的连接器接口。

透明的电路板接口是许多新项目的关键——而你甚至都没有注意到它。这种连接器到板的接口被称为电路板“发射(launc)”,其中RF能量从连接器转换到电路板。图1显示了一个典型的设计,在电路板边缘有2.92毫米接口的40 GHz连接器。

电路板边缘 2.92毫米接口的40 GHz连接器

图1.图为1:16威尔金森分频器设计,采用了2.92毫米连接器。

对于转向更高频率(即20 GHz及更高频率范围)的设计人员来说,将SMA连接器视为集总50Ω元件,并使用标准尺寸机械地连接到印刷电路板(PCB)将不能满足需求。对于这些设计,现在通常需要使用3D电磁(EM)软件工具,例如COMSOL提供的工具。

设计师可以使用的3D工具

借助多年来可用的3D EM软件工具,设计连接器到板的发射设计变得更加容易。最近微波连接器供应商的支持还在增加。

许多微波连接器公司现在提供可以导入3D EM软件工具的高频连接器的3D模型。其中一些公司提供的模型只能与特定的3D EM软件包兼容。收取模型也可能需要付费。而另一种方案是,Signal Microwave这种通用的模型,它可用于任何3D EM软件包。

许多3D解算器包中也提供PCB材料信息。通过提供普通高频板材料的参考设计,Signal Microwave则超越了这一点。这些参考设计由Signal Microwave优化,采用通用的CAD格式,可以导入许多3D软件工具中。客户可以从这些参考设计开始,并使用他们自己的软件工具进行评估。然后可以按原样使用设计,或进行修改以更好地满足客户对最终性能的要求。

对3D模型的需求

在2D电路仿真器中,可以使用S参数对在高频下工作的PCB上的组件进行建模。而对于同轴连接器到PCB的转换,并不能这样来处理。连接器中的转换线几何形状是同轴的(圆形)。但在板上,这种几何形状是平面的。正确建模这两种转换线类型如何直接相互作用,从而解决转换线模式从同轴到平面变化的复杂性,需要采用3D EM解算器。

从板材开始设计

连接器兼容各种电路板厚度和介电常数。电路板的目的将决定电路板材料、介电常数和电介质厚度要求等参数。工业上用于高频设计的普通电路板材料的厚度范围为4密耳(0.004英寸)至12密耳(0.012英寸),相对介电常数范围为3.0至3.5。看看这些参数,今天的高频连接器几何形状可以很好地匹配。

在开始实际设计之前,这是一份所需知识的快速清单:

l 板上的组件和功能列表

l 确定要匹配的线宽

l 确定损耗和功率要求

l 选择转换线结构

l 选择合适的基材

l 选择合适的连接器

设计实例

图2显示了Signal Microwave公司ELF67-001连接器和8密耳厚度的Rogers RO4003 PCB之间的接地共面波导(GCPW)转换的70-GHz带宽发射设计。

本设计揭示了70-GHz带宽发射设计的关键细节

图2.本设计揭示了70-GHz带宽发射设计的关键细节。

设计的关键要素包括:

l 尺寸、位置和间距

l 电路接地间距以匹配连接器

l 可创建50Ω转换线的信号线宽度

l 信号线(锥形)补偿,以考虑连接器引脚

如何设置仿真

图3显示了一个短转换线结构,其中任一侧都有连接器的3D模型。Signal Microwave提供其板载连接器发射部分的3D模型。COMSOL Multiphysics软件是一个3D建模软件包,其库中包含许多这些模型以及常见的电路板材料。使用这种结构,可以轻松设置可用于优化电路板设计的双端口仿真模型。

带有连接器的转换线结构模型,使用COMSOL Multiphysics软件创建

图3.这是一个带有连接器的转换线结构模型,使用COMSOL Multiphysics软件创建。

在每个连接器仿真模型两端创建带连接器的直通线,并在末尾创建端口,将能够实现可测量的仿真结构。优化转换的最有效方法是在要优化部分的两侧定义尽可能接近的端口。这将需要在电路板的转换线中创建端口。

边缘发射连接器的内导体和外导体之间的区域填充有电介质。这里,该电介质是Neoflon,其介电常数为2.5。所有金属部件,包括边缘发射连接器、GCPW、金属化过孔和接地平面,都被建模为适用于低频原型的完美电导体(PEC)。

为了考虑较高频率下的损耗因子和表面粗糙度,无损PEC条件由转换边界条件和阻抗边界条件代替。整个建模域由散射边界条件定义,它代表一个开放空间。

为了使所有域与四面体网格进行网格化,所以选择物理控制的网格;最大元素大小是每个波长五个元素,以便波形被很好地解析。最大网格尺寸由介电基板中的材料特性自动缩放。边缘发射连接器中的部件采用更精细的分辨率手动网格化,以提供曲面的良好分辨率。

优化连接器到PCB的转换

从同轴电缆到PCB的能量流动如图4所示。该简化表示仅显示转换线空气部分的能量。大量的能量在衬底中并且从连接器的电介质转换到顶部和底部导体之间的衬底。

从连接器到印刷电路板(PCB)的能量流动

图4.该图说明了从连接器到印刷电路板(PCB)的能量流动。

为了在更高频率下完全捕获这种转换的复杂性,需要用到3D仿真工具。创建模型并设置端口以测量能量流(S参数)之后,就可以优化发射设计。

不连续源

引脚在信号线上

连接器的引脚为电路板的电气连接部分增加了电容(再次参见图4)。如果引脚被焊接,则该电容会增加。因此,不建议焊接。需要调整PCB连接器接触的信号线,以减少额外电容的影响(再次参见图2)。

连接器的接地与PCB接触

对于GCPW,顶部接地间距可以与连接器的接地接触点匹配。而微带线没有顶部接地。这意味着没有太多优化来提高性能。如果将短GCPW部分添加到微带线的边缘,则会创建一个可以对连接器进行优化的结构。

最大的不连续性发生在连接器的发射销和板边缘之间的部分。为了仿真这一点,TEM模式场在同轴型集总端口、端口1处被激励。然后该场通过端口1边缘发射连接器传输,并激励GCPW上的平面模式。共面波导中的对称电场从中心导体向外限制在每侧和下面的导体上。侦听器端口(端口2)也由相同类型的同轴集总端口进行端接。

需要经过培训的软件操作员

运行仿真的人员需要了解RF转换线的基本知识。有了这些知识,人们就可以正确地监督实施,然后监督仿真的结果。该软件能够快速、轻松地探索用户定义的一系列设计特征,并为每个特定的特征组合提供数据。

但是,它不能告诉用户不需要添加设计中的功能,或者必须删除设计中的功能。这些决定必须由用户做出。然后可以修改设计以通过仿真进行进一步分析。通过这种方式,软件工具可用于识别优化设计并探索设计中的灵敏性。

灵敏性分析

用户需要了解电路板制造过程中固有的电路板处理技术和差异。了解制造过程中保持公差的优缺点可以指导用户进行灵敏度分析。人们应该尝试使最困难的电路板处理功能在设计中最不灵敏。

结论

项目将受益于精心设计的电路板发射。如果没有有效且良好的能量转换进出电路板,电路板或电路板上的元件的性能就无法正确确定。在测试中,当组件由于连接器到板转换性能导致的测试结果降级而失败时,失效会增加。在设计验证中,测试结果的准确性也会提高。

在性能至关重要的项目中,可实现高性能电路板发射和输电线路。虽然不是“透明”,但它足够接近连接器转换不会干扰电路板测量。

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