2019年1月20日，紅星電業(yè)追蹤報道——隨著(zhù)應用達到更高的頻率，需要正確的工具來(lái)開(kāi)發(fā)有效的連接器接口。
透明的電路板接口是許多新項目的關(guān)鍵——而你甚至都沒(méi)有注意到它。這種連接器到板的接口被稱(chēng)為電路板“發(fā)射(launc)”，其中RF能量從連接器轉換到電路板。圖1顯示了一個(gè)典型的設計，在電路板邊緣有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(lái)說(shuō)，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(mǎn)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(lái)可用的3D EM軟件工具，設計連接器到板的發(fā)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(guò)提供普通高頻板材料的參考設計，Signal Microwave則超越了這一點(diǎn)。這些參考設計由Signal Microwave優(yōu)化，采用通用的CAD格式，可以導入許多3D軟件工具中?？蛻?hù)可以從這些參考設計開(kāi)始，并使用他們自己的軟件工具進(jìn)行評估。然后可以按原樣使用設計，或進(jìn)行修改以更好地滿(mǎn)足客戶(hù)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(jìn)行建模。而對于同軸連接器到PCB的轉換，并不能這樣來(lái)處理。連接器中的轉換線(xiàn)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(xiàn)類(lèi)型如何直接相互作用，從而解決轉換線(xiàn)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(kāi)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(zhì)厚度要求等參數。工業(yè)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(kāi)始實(shí)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(xiàn)寬
l 確定損耗和功率要求
l 選擇轉換線(xiàn)結構
l 選擇合適的基材
l 選擇合適的連接器
設計實(shí)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(fā)射設計。
圖2.本設計揭示了70-GHz帶寬發(fā)射設計的關(guān)鍵細節。
設計的關(guān)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(chuàng )建50Ω轉換線(xiàn)的信號線(xiàn)寬度
l 信號線(xiàn)(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(gè)短轉換線(xiàn)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(fā)射部分的3D模型。COMSOL Multiphysics軟件是一個(gè)3D建模軟件包，其庫中包含許多這些模型以及常見(jiàn)的電路板材料。使用這種結構，可以輕松設置可用于優(yōu)化電路板設計的雙端口仿真模型。
圖3.這是一個(gè)帶有連接器的轉換線(xiàn)結構模型，使用COMSOL Multiphysics軟件創(chuàng )建。
在每個(gè)連接器仿真模型兩端創(chuàng )建帶連接器的直通線(xiàn)，并在末尾創(chuàng )建端口，將能夠實(shí)現可測量的仿真結構。優(yōu)化轉換的最有效方法是在要優(yōu)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(xiàn)中創(chuàng )建端口。
邊緣發(fā)射連接器的內導體和外導體之間的區域填充有電介質(zhì)。這里，該電介質(zhì)是Neoflon，其介電常數為2.5。所有金屬部件，包括邊緣發(fā)射連接器、GCPW、金屬化過(guò)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(wú)損PEC條件由轉換邊界條件和阻抗邊界條件代替。整個(gè)建模域由散射邊界條件定義，它代表一個(gè)開(kāi)放空間。
為了使所有域與四面體網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化，所以選擇物理控制的網(wǎng)格;最大元素大小是每個(gè)波長(cháng)五個(gè)元素，以便波形被很好地解析。最大網(wǎng)格尺寸由介電基板中的材料特性自動(dòng)縮放。邊緣發(fā)射連接器中的部件采用更精細的分辨率手動(dòng)網(wǎng)格化，以提供曲面的良好分辨率。
優(yōu)化連接器到PCB的轉換
從同軸電纜到PCB的能量流動(dòng)如圖4所示。該簡(jiǎn)化表示僅顯示轉換線(xiàn)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(zhì)轉換到頂部和底部導體之間的襯底。
圖4.該圖說(shuō)明了從連接器到印刷電路板(PCB)的能量流動(dòng)。
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(chuàng )建模型并設置端口以測量能量流(S參數)之后，就可以?xún)?yōu)化發(fā)射設計。
不連續源
引腳在信號線(xiàn)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(jiàn)圖4)。如果引腳被焊接，則該電容會(huì )增加。因此，不建議焊接。需要調整PCB連接器接觸的信號線(xiàn)，以減少額外電容的影響(再次參見(jiàn)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(diǎn)匹配。而微帶線(xiàn)沒(méi)有頂部接地。這意味著(zhù)沒(méi)有太多優(yōu)化來(lái)提高性能。如果將短GCPW部分添加到微帶線(xiàn)的邊緣，則會(huì )創(chuàng )建一個(gè)可以對連接器進(jìn)行優(yōu)化的結構。
最大的不連續性發(fā)生在連接器的發(fā)射銷(xiāo)和板邊緣之間的部分。為了仿真這一點(diǎn)，TEM模式場(chǎng)在同軸型集總端口、端口1處被激勵。然后該場(chǎng)通過(guò)端口1邊緣發(fā)射連接器傳輸，并激勵GCPW上的平面模式。共面波導中的對稱(chēng)電場(chǎng)從中心導體向外限制在每側和下面的導體上。偵聽(tīng)器端口(端口2)也由相同類(lèi)型的同軸集總端口進(jìn)行端接。
需要經(jīng)過(guò)培訓的軟件操作員
運行仿真的人員需要了解RF轉換線(xiàn)的基本知識。有了這些知識，人們就可以正確地監督實(shí)施，然后監督仿真的結果。該軟件能夠快速、輕松地探索用戶(hù)定義的一系列設計特征，并為每個(gè)特定的特征組合提供數據。
但是，它不能告訴用戶(hù)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(hù)做出。然后可以修改設計以通過(guò)仿真進(jìn)行進(jìn)一步分析。通過(guò)這種方式，軟件工具可用于識別優(yōu)化設計并探索設計中的靈敏性。
靈敏性分析
用戶(hù)需要了解電路板制造過(guò)程中固有的電路板處理技術(shù)和差異。了解制造過(guò)程中保持公差的優(yōu)缺點(diǎn)可以指導用戶(hù)進(jìn)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(fā)射。如果沒(méi)有有效且良好的能量轉換進(jìn)出電路板，電路板或電路板上的元件的性能就無(wú)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(shí)，失效會(huì )增加。在設計驗證中，測試結果的準確性也會(huì )提高。
在性能至關(guān)重要的項目中，可實(shí)現高性能電路板發(fā)射和輸電線(xiàn)路。雖然不是“透明”，但它足夠接近連接器轉換不會(huì )干擾電路板測量。
