Mikrowellen-Technik - Analyse der Methode und Einflussfaktoren des Funkfrequenzsignals vom SMA-Tuner bis zur Leiterplatte

Analyse der Methode und Einflussfaktoren des Funkfrequenzsignals vom SMA-Tuner bis zur Leiterplatte

SMA-Tuner mit Leiterplatte verbunden

Der Prozess der Übertragung hochfrequenter Energie von einem Koaxialstecker auf eine Leiterplatte (PCB) wird in der Regel als Signalinjektion bezeichnet, und seine Eigenschaften sind schwer zu beschreiben. Die Effizienz der Energieübertragung variiert aufgrund unterschiedlicher Schaltungsstrukturen stark. Faktoren wie das Leiterplattenmaterial und dessen Dicke und Betriebsfrequenzbereich, sowie die Konstruktion des Steckverbinders und seine Wechselwirkung mit Schaltungsmaterialien beeinflussen die Leistung. Durch das Verständnis verschiedener Signalinjektionseinstellungen und die Überprüfung einiger Optimierungsfälle von HF- und Mikrowellensignalinjektionsmethoden kann die Leistung verbessert werden.

Die Erreichung einer effektiven Signalinjektion hängt mit dem Design zusammen. Im Allgemeinen ist Breitbandoptimierung anspruchsvoller als Schmalband. Im Allgemeinen wird die Hochfrequenzspritzung schwieriger, wenn die Frequenz zunimmt, und es kann auch mehr Probleme haben, wenn die Dicke des Schaltungsmaterials zunimmt und die Komplexität der Schaltungsstruktur zunimmt.

1: Signalinjektionsdesign und -optimierung

Die Signaleinspritzung vom Koaxialkabel und Stecker auf die Mikrostreifenplatte ist in Abbildung 1 dargestellt. Die elektromagnetische (EM)-Feldverteilung durch das Koaxialkabel und den Stecker ist zylindrisch, während die EM-Feldverteilung in der Leiterplatte flach oder rechteckig ist. Von einem Verbreitungsmedium zum anderen ändert sich die Feldverteilung, um sich an die neue Umgebung anzupassen, was zu Anomalien führt. Die Änderung hängt von der Art des Mediums ab: zum Beispiel, ob die Signaleinspritzung von Koaxialkabeln und Steckverbindern zu Mikrostreifen, Erdcoplanaren Wellenleitern (GCPW) oder Streifenleitungen erfolgt. Auch die Art des Koaxialkabelverbinders spielt eine wichtige Rolle.

Abbildung 1. Signalinjektion von Koaxialkabeln und Steckverbindern auf Microstrip.

Die Optimierung umfasst mehrere Variablen. Es ist sinnvoll, die EM-Feldverteilung innerhalb des Koaxialkabels/Stecker zu verstehen, aber auch die Erdschleife muss als Teil des Verbreitungsmediums betrachtet werden. Es ist in der Regel hilfreich, einen reibungslosen Impedanzübergang von einem Verbreitungsmedium zum anderen zu realisieren. Das Verständnis der kapazitiven Reaktanz und der induktiven Reaktanz bei Impedanzdiskontinuitäten ermöglicht es uns, das Schaltungsverhalten zu verstehen. Wenn eine dreidimensionale (3D) EM-Simulation durchgeführt werden kann, kann die Stromdichteverteilung beobachtet werden. Darüber hinaus ist es am besten, die tatsächliche Situation im Zusammenhang mit dem Strahlenverlust zu berücksichtigen.

SMA-Tuneranschluss

Obwohl die Erdschleife zwischen dem Signalgeber-Stecker und der Leiterplatte kein Problem zu sein scheint und die Erdschleife vom Stecker zur Leiterplatte sehr kontinuierlich ist, ist dies nicht immer der Fall. Es besteht normalerweise ein kleiner Oberflächenwiderstand zwischen dem Metall des Steckverbinders und der Leiterplatte. Es besteht auch ein kleiner Unterschied in der elektrischen Leitfähigkeit der Lötwerke, die die verschiedenen Teile und das Metall dieser Teile verbindet. Bei niedrigen HF- und Mikrowellenfrequenzen ist der Einfluss dieser kleinen Unterschiede normalerweise klein, aber bei höheren Frequenzen ist der Einfluss auf die Leistung groß. Die tatsächliche Länge des Erdrückgangsweges beeinflusst die Übertragungsqualität, die mit einer gegebenen Verbinder- und Leiterplattenkombination erreicht werden kann.

Wie in Abbildung 2a gezeigt, kann bei der Übertragung elektromagnetischer Energie von den Steckstiften auf die Signaldrahten der Mikrostreifenplatte die Erdschleife zurück zum Steckverbindergehäuse für eine dicke Mikrostreifenübertragungsleitung zu lang sein. Die Verwendung von Leiterplattenmaterialien mit einer höheren dielektrischen Konstante erhöht die elektrische Länge der Erdschleife und verschärft das Problem. Die Verlängerung des Pfades verursacht frequenzabhängige Probleme, die wiederum lokale Phasengeschwindigkeits- und Kapazitätsdifferenzen verursachen. Beide stehen im Zusammenhang mit der Impedanz im Transformationsbereich und werden sie beeinflussen, was zu einem Unterschied im Renditeverlust führt. Idealerweise sollte die Länge der Erdschleife so minimiert werden, dass es keine Impedanzanomalie im Signalinjektionsbereich gibt. Bitte beachten Sie, dass der Erdungspunkt des in Abbildung 2a dargestellten Steckverbinders nur am unteren Teil der Schaltung besteht, und dies ist der schlimmste Fall. Viele HF-Stecker haben Erdstifte auf der gleichen Schicht wie das Signal. In diesem Fall ist auch das Bodenpolster auf der Leiterplatte ausgebildet.

Abbildung 2b zeigt eine geerdete koplanare Wellenleiter-zu-Mikrostreifen-Signalinjektionsschaltung. Hier ist der Hauptkörper der Schaltung ein Mikrostreifen, aber der Signalinjektionsbereich ist ein geerdeter coplanarer Wellenleiter (GCPW). Der koplanare Emissionsmikrostreifen ist nützlich, da er Erdschleifen minimiert und auch andere nützliche Eigenschaften aufweist. Wenn Sie einen Stecker mit Erdstiften auf beiden Seiten des Signaldrahtes verwenden, hat der Erdstiftabstand einen erheblichen Einfluss auf die Leistung. Es wurde gezeigt, dass diese Entfernung die Frequenzreaktion beeinflusst.

Abbildung 2. Dicke Mikrostreifen-Übertragungsleitungsschaltung und lange Erdrückführung zur Steckverbinder-Signalinjektionsschaltung (a) vom Erdkoplanaren Wellenleiter zum Mikrostreifen (b).

Beim Experimentieren mit einem koplanaren Wellenleiter zu einem Mikrostreifen auf der Grundlage von Rogers 10 mil dickem RO4350B-Laminat wurde ein Stecker mit einem koplanaren Wellenleiter mit unterschiedlichem Bodenabstand, aber ähnlichen anderen Teilen verwendet (siehe Abbildung 3). Der Erdungsabstand des Anschlusses A beträgt etwa 0,030', und der Erdungsabstand des Anschlusses B beträgt 0,064'. In beiden Fällen sendet der Steckverbinder an die gleiche Schaltung.

Abbildung 3. Testen Sie den koplanaren Wellenleiter auf die Mikrostreifenschaltung mit koaxialen Steckverbindern mit ähnlichen Anschlüssen mit unterschiedlichen Masseintervallen.

Die x-Achse steht für Frequenz, 5 GHz pro Division. Wenn die Mikrowellenfrequenz niedriger ist (< 5 = ghz), ist die Leistung gleichwertig, aber wenn die Frequenz höher ist als 15 = ghz = ghz, ist die Leistung der Schaltung mit einem größeren Erdungsintervall schlechter. Der Stecker ist ähnlich, obwohl die Stiftdurchmesser dieser 2-Modelle leicht unterschiedlich sind, ist der Stiftdurchmesser des Steckers b größer und ist für dickere PCB konzipiert.

Ein einfaches und effektives Signalinjektionsoptimierungsverfahren besteht darin, die Impedanzmismatch im Signalübertragungsbereich zu minimieren. Die Erhöhung der Impedanzkurve ist grundsätzlich auf die Erhöhung der Induktivität zurückzuführen, während die Abnahme der Impedanzkurve auf die Erhöhung der Kapazität zurückzuführen ist. Für die in Abbildung 2a dargestellte dicke Mikrostreifen-Übertragungsleitung (unter der Annahme, dass die Dielektrikonstante des Leiterplattenmaterials niedrig ist, etwa 3,6) ist der Draht breiter - viel breiter als der Innenleiter des Steckverbinders. Aufgrund des großen Unterschieds in der Größe des Schaltungsdrahtes und des Steckverbinderdrahtes tritt während des Übergangs eine starke kapazitive Mutation auf. Im Allgemeinen kann die kapazitive Mutation durch allmähliche Verjüngung des Schaltungsdrahtes verringert werden, um den durch den Ort gebildeten Größenluft zu verringern, an dem er mit dem Stift des Koaxialverbindes verbunden ist. Die Verengung des PCB-Drahts erhöht seine Induktivität (oder verringert seine Kapazität, um die kapazitive Mutation in der Impedanzkurve auszugleichen).

Die Auswirkungen auf verschiedene Frequenzen müssen berücksichtigt werden. Längere Gradierungslinien werden empfindlicher auf niedrige Frequenzen sein. Wenn beispielsweise der Rücklaufverlust bei niedrigen Frequenzen schlecht ist und gleichzeitig ein kapazitiver Impedanzspitze auftritt, ist es zweckmäßiger, eine längere Gradientenlinie zu verwenden. Umgekehrt wirkt sich eine kürzere Gradientenlinie auf hohe Frequenzen stärker aus.

Bei koplanaren Strukturen erhöht sich die Kapazität, wenn sich benachbarte Bodenebenen in der Nähe befinden. Üblicherweise wird die induktive Kapazität des Signalinjektionsbereichs im entsprechenden Frequenzband durch Einstellung des Intervalls zwischen der schrittweisen Signalleitung und der benachbarten Erdebene eingestellt. In einigen Fällen sind die benachbarten Bodenpolster des koplanaren Wellenleiters an einem Abschnitt der Gradientenlinie breiter, um das untere Frequenzband einzustellen. Dann wird die Steigung im breiteren Teil der Gradierungslinie schmaler, und die Länge des schmaleren Teils ist nicht lang, um das höhere Frequenzband zu beeinflussen. Im Allgemeinen erhöht die Verengung des Gradienten des Drahts die Empfindlichkeit. Die Länge der Gradientenlinie beeinflusst die Frequenzreaktion. Das Wechseln der benachbarten Bodenpolster des koplanaren Wellenleiters kann die Kapazität ändern. Der Pad-Abstand kann die Frequenzreaktion ändern, die eine wichtige Rolle bei der Änderung der Kapazität spielt.

Abbildung 4 zeigt ein einfaches Beispiel. Figur 4a zeigt eine dicke Mikrostreifen-Übertragungsleitung mit langen und schmalen konischen Linien. Die Gradientlinie ist 0,018 € (0,46 mm) breit und 0,110 € (2,794 mm) lang am Rand der Platte und wird schließlich zu einer Linienbreite von 50 Ω mit einer Breite von 0,064 € (1,626 mm). In den Figuren 4b und 4c wird die Länge der Gradierungslinie kürzer. Der vor Ort krimpbare Anschlussverbinder wird ausgewählt und nicht gelotet, so dass in jedem Fall der gleiche Innenleiter verwendet wird. Die Mikrostreifen-Übertragungsleitung ist 2 € (50,8 mm) lang und wird auf einem 30 mil (0,76 mm) dicken RO4350B verarbeitet. Mikrowellenkreislaminat mit einer dielektrischen Konstante von 3,66. In Abbildung 4a repräsentiert die blaue Kurve den stark schwankenden Einführungsverlust (S21). Im Gegensatz dazu weist S21 in Abbildung 4c die geringste Anzahl an Schwankungen auf. Diese Kurven zeigen, dass je kürzer die Gradientenlinie ist, desto höher ist die Leistung.

Abbildung 4. Die Leistung von drei Mikrostreifenschaltungen mit verschiedenen Gradierungslinien; die ursprüngliche Konstruktion mit einer langen und schmalen Abstuflinie (a), die Länge der Abstuflinie wird verkürzt (b), und die Länge der Abstuflinie wird weiter verkürzt (c).

Vielleicht zeigt die am meisten illustrative Kurve in Abbildung 4 die Impedanz von Kabeln, Steckverbindern und Schaltungen (grüne Kurve). Der große Vorwärtswellenspitze in Abbildung 4a repräsentiert den mit dem Koaxialkabel verbundenen Steckanschluss 1 und der andere Spitze auf der Kurve repräsentiert den Steckverbinder am anderen Ende der Schaltung. Durch die Verkürzung der allmählichen Wechsellinie wird die Schwankung der Impedanzkurve reduziert. Die Verbesserung der Impedanzanpassung liegt daran, dass die allmähliche Wechsellinie des Signalinjektionsbereichs breiter und enger wird; die breitere stufenweise wechselnde Linie reduziert die Induktivität.

Mehr über die Schaltungsgröße des Einspritzbereichs können wir durch eine ausgezeichnete Signalinjektionskonstruktion 2 erfahren. Diese Schaltung verwendet auch die gleiche Leiterplatte und die gleiche Dicke. Eine koplanare Wellenleiter-zu-Mikrostreifen-Schaltung erzeugte durch die Verwendung der Erfahrung in Abbildung 4 eine bessere Wirkung als in Abbildung 4. Die offensichtlichste Verbesserung besteht darin, die induktiven Spitzen in der Impedanzkurve zu beseitigen. Tatsächlich wird dies durch einige induktive Spitzen und kapazitive Täler verursacht. Verwenden Sie die richtige Gradientenlinie, um den induktiven Spitzenpunkt zu minimieren, und verwenden Sie die koplanare Bodenpolsterkupplung im Einspritzbereich, um die Induktivität zu erhöhen. Die Einführungsverlustskurve in Fig. 5 ist glatter als in Fig. 4c, und die Rückverlustkurve ist ebenfalls verbessert.

Bei Mikrostreifenschaltungen mit Leiterplattenmaterialien mit höheren dielektrischen Konstanten oder unterschiedlichen Dicken oder Mikrostreifenschaltungen mit unterschiedlichen Steckverbindertypen sind die Ergebnisse des in Abbildung 4 dargestellten Beispiels unterschiedlich.

Hinweise: Die Signalinjektion ist ein sehr komplexes Problem, das von vielen verschiedenen Faktoren beeinflusst wird.