Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
Mikrowellen-Technik

Mikrowellen-Technik - HF- und Mikrowellen-PCB-Signalinjektionsverfahren

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Mikrowellen-Technik - HF- und Mikrowellen-PCB-Signalinjektionsverfahren

HF- und Mikrowellen-PCB-Signalinjektionsverfahren

2021-07-27
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Author:Fanny

Die Prozess v((a))uf Ü((b))ertragung Ho(c)hfrequenz-Energie und HF/Mikrogute (PCB) vauf a koaxial Verbinder zu a gedruckt Schaltung Brett (PCB) isttttttttttttttttttttttttttttttttttttt vauft Referenz zu als Signal Injektiauf, und seine Eigenschaften sind schwierig zu Beschreibung. Die Effizienz vauf Energie Treinsfer variiert stark abhängig auf die Schaltung Struktur. Fakzuren solche als die PCB Mbeierial und seine Dicke und Betrieb Frequenz Bereich, als well als die Verbinder Design und seine Interaktiauf mes die Schaltung Mbeierial, keinn Aunswirkungen Leistung. Leistung keinn be verbessert vauf ein Verständnis von unterschiedlich Signal Injektion Einstellungen und a Überprüfung von einige Optimierung Fälle von HF und Mikrowelle Signal Injektion Methoden.

Erreichen wirksam Signal Injektion is Designbezogen, und allgemein, Breesbund Optimierung is mehr herausfürdernd als Schmalbund Optimierung. In allgemein, Hochfrequenz Injektion wird mehr schwierig als die Frequenz Erhöhungen und kann werden mehr Problembeiisch als die Dicke von die Schaltung Mbeierial Erhöhungen und die Komplexesät von die Schaltung Struktur Erhöhungen.

Design und Optimierung der Signaleinspritzung

Die Signaleinspritzung vom Koaxialkabel und Stecker in die Microstrip-Leiterplbeite ist in Abbildung 1 dargestellt. Die elektromagnetische Feldverteilung (EM) durch Koaxialkabel und Steckverbinder ist zylindrisch, währEnde die EM-Feldverteilung innenhalb einer Leiterplbeite planar oder rechteckig ist. Von einem Medium zum underen ändert sich die Feldverteilung, um sich an die neue Umgebung anzupalssen, wals zu Aneinmalien führt. Die Änderung hängt von der Art des Mediums ab; Beispielsweise erfolgt die Signaleinspritzung von koaxialen Kabeln und Steckverbindern zu Mikrostrewennen, Erdkoplanarwellenleitern ((GCP)) oder Streifen. Auch die Art des Koaxialkabelverbinders spielt eine wichtige Rolle.

HF und Mikrowellenplatte

Abbildung 1. Signaleinspritzung vom Koaxialkabel und Stecker zum Microstrip

Die Optimierung umfalsst mehrere Variablen. Das Verständnis der EM-Feldverteilung innenhalb eines Koaxialkabels/Steckverbinders ist nützlich, aber auch die Masseschleife muss als Teil des AusbreitungsMediums betrachtet werden. Es ist in der Regel hilfreich, einen reibungslosen Impedanzübergang von einem AusbreitungsMedium zum underen zu erreichen. Das Verständnis der Kapazität und der induktiven Reaktanz bei den Impedanzkontinuitäten ermöglicht es uns, die Schaltungsleistung zu verstehen. Wirnn eine (3D) (3D) EM Simulbeiion durchgeführt werden kann, kann die Stromdichteverteilung beobachtet werden. Darüber hinaus ist es wünschenswert, die praktischen Bedingungen für Strahlenverluste zu berücksichtigen.

Während die Boden Schleife zwischen die Signal Sender Verbinder und PCB kann scheinen unproblembeiisch, die Boden Schleife von die Verbinder zu die PCB is sehr kontinuierlich, aber dies is nicht immer die Fall. Dodert is nodermalerweise a klein Oberfläche Widerstund zwischen die Metall von die conneczur und die PCB. Dort sind auch klein Unterschiede in elektrisch Leitfähigkeit zwischen die Schweißer dass verbinden unterschiedlich Teils und die Metalle in die Teile. Bei niedrig HF und Mikrowelle Frequenzen, diese klein Unterschiede normalerweise haben a klein Auswirkungen, aber at höher Frequenzen, diey kann haben a signifikannt Auswirkungen on Leistung. Die tatsächliche Länge von die Rücklauf Pfad wirkt die Qualität von Übertragung dass kann be erreichend mit a gegeben Kombination von conneczurs und Leiterplatten.

Als gezeigt in Abbildung 2A, die Boden Schleife zurück zu die conneczur Gehäuse kann be zuo lang für dick Mikrostreifen Übertragung Linien as elektromagnetisch Energie is übertragen von die Verbinder Stifte zu die Signal Blei von die Mikrostreifen PCB. Verwendung PCB Materialien mit Hochfrequenz dielektrisch Konstanten kann verschlimmern die problem von Zunahme die elektrisch Länge von die Boden Schleife. Die Pfad Erweiterung kann Ursache Frequenz-dependent Probleme, resultierend in lokal Phate Geschwindigkeit und Kapazität Unterschiede. Beide von diem sind verwundt zu die Impedanz in die Transfürmation Region und wird Auswirkungen it, resultierend in zurück Verlust Unterschiede. Idealerweise, die Länge von die Boden Schleife sollte be minimiert so dass diere is no Impedanz Anomalie in die Signal Injektion Fläche. Anmerkung dass die Boden Punkt von die Verbinder gezeigt in Abbildung 2A existiert nur at die botzum von die Schaltung, und dies is die schlimmste Fall. Viele RF Verbinders haben Boden Stifte on die gleiche Ebene as die Signal. In dies Fall, die PCB wird auch be enzweirfen mit a Bodening Pad dort.

Abbildung 2B zeigt einen bodenkoplansindn Wellenleiter zum MikrostreifenSignal-Einspritzschaltkreis. Hier ist der Hauptkörpro der Schaltung der Mikrostreifen, aber der Signaleinspritzbereich ist der Erdkoplanarwellenleiter (GCP). Koplansind Emissions-Mikrostreifen sind nützlich, weil sie Erdschleifen minimieren und undere nützliche Eigenschaften haben. Wird ein Stecker mit Massepunkten auf beiden Seiten des Signalleiters verwendet, hat der Abstund der Massepunkte einen erheblichen Einfluss auf die Leistung. Es wurde gezeigt, dass der Abstund den Frequenzgang beeinflusst.

HF und Mikrowellenplatte

Abbildung 2. Dick Mikrostreifen Übertragung Linie Schaltung und länger Boden zurück Pfad zu Verbinder (a)

Koplansindr Erdwellenleiter zum Mikrostreifen-Signaleinspritzkreis (b)

In Experimente mit a Coplanar Wellenleiter zu Mikrostreifen basiert on Rogers 10mIL dick RO4350B Laminate, Coplanar Wellenleiter Ports mit unterschiedlich Boden Abstund aber odierwise ähnlich Steckverbinder wsindn verwendet (see Abbildung 3). Conneczur A hat A Erdung Intervall von ungefähr 0.030" und Verbinder B hat A Bodening Intervall von 0.064". In beide Fälle, die Verbinder is emittiert on die gleiche Schaltung.

HF und Mikrowellenplatte

Abbildung 3. Prüfung des koplansindn Wellenleiters an Mikrostreifenschaltungen mit Koaxialanschlüssen mit ähnlichen Ports mit unterschiedlichen ErdungsIntervalllen

Die X-Achse is die Frequenz, 5 GHz per Gitter. Bei niedrig Mikrowelle Frequenzen (< 5 GHz), die Leistung von die Schaltung is die gleiche, aber at Frequenzen hocher als 15 GHz, die Leistung von die Schaltung mit a groß Bodening interval verschlechtert sich. Die Steckverbinder sind ähnlich, obwohl die Stift Durchmesser von die two Modelle are leicht unterschiedlich, Verbinder B hat a größer Stift Durchmesser und is entworfen für dicker LeiterplattenMaterialien. Dies kann auch Blei zu Leistung Unterschiede.

Eine einfache und effektive Methode zur Optimierung der Signaleinspritzung besteht darin, die Impedanzanpassung im Signalübertragungsbereich zu minimieren. Die Impedanzkurve steigt im Wesentlichen aufgrund einer Zunahme der Induktivität und fällt aufgrund einer Zunahme der Kapazität. Für die dicke Mikrostreifen-Übertragungsleitung in Abbildung 2A (unter Annahme einer niedrigen Dielektrizitätskonstante des LeiterplattenMaterialien, etwa 3.6), ist der Leiter breiter oder viel breiter als der Innenleiter des Steckverbinders. Aufgrund des großen Größenunterschieds zwischen der Schaltungsleitung und der Verbindungsleitung gibt es während des Übergangs eine starke kapazitive Mutation. Kapazitive Mutatieinen können in der Regel reduziert werden, indem die Schaltungsleitung verjüngt wird, um den Größenspalt zwischen ihr und den Koaxialverbindungsstiften zu verringern. Eine Verengung des Leiterplattenleitungs erhöht seine Empfindlichkeit (oder verringert die Kapazität), wodurch kapazitive Mutatieinen in der Impedanzkurve ausgeglichen werden.

Die Auswirkungen auf unterschiedliche Frequenzen müssen berücksichtigt werden. Längere Gradienten geben mehr Empfindlichkeit für niedrige Frequenzen. Zum Beispiel, wenn die Rücklaufdämpfung bei niedrigen Frequenzen schlecht ist und es einen kapazitiven Impedanzspitz gibt, kann eine längere Gradientenleitung angebracht sein. Umgekehrt wirken sich kürzere Gradienten stärker auf hohe Frequenzen aus.

Für Coplanar Strukturen, Kapazität Zunahmes wenn angrenzend Boden Oberflächen Ansatz. Allgemein, die Empfindlichkeit von die Signal Injektion Region is angepasst in die Entsprechend Frequenz Bund von Anpassung die Abstund zwischen die Gradient Signal Linie und die angrenzend Boden. In einige Fälle, die angrenzend Bodening Pads von die Coplanar Wellenleiter are breiter entlang one Abschnitt von die Gradient Linie zu regulieren die niedriger Frequenz Bund. Dien, die Abstund Schmal at die breiter Teil von die Gradient Linie, und die schmaler Teil is nicht lang in Länge zu Auswirkungen die Hochfrequenz Bund. In allgemein, die Verengung von die Draht Gradient Zunahmes die Empfindung. Die Länge von die Gradient Linie wirkt die Frequenz Antwort. Die Kapazität kann be geändert von ändern die angrenzend Erdung Pads von Coplanar Wellenleiters. Die Abstund zwischen Pads kann ändern die Frequenz Antwort, die spielt a Major Rolle in die ändern von kapazitiv.

Die Instanz

Abbildung 4 bietet a einfach Beispiel. Abbildung 4A is a dick Mikrostreifen Übertragung Linie mit a lang und schmal Gradient. Die Gradient Linie is 0.018" (0.46 mm) breit und 0.110" (2.794 mm) lang at die Kante von die Platte, und endlich wird a 50 ω Linie Breite von 0.064" (1.626 mm) breit. In Abbildungs 4b und 4c, die Länge von die Gradient Linie wird kürzer. Feld Crimp Terminal Verbinders are verwendet und nicht geschweißt, so die gleiche inner conduczur is verwendet in jede Fall. Die Mikrostreifen Übertragung Linie is 2" (50.8mm) lang and maschinell bearbeitet in a 30mil (0.76mm) dick RO4350B? Die dielektrisch konstant von Mikrowelle Schaltung Laminate is 3.66. In Abbildung 4A, die blau Kurve repräsentiert die Einfügen Verlust ((S21)), die schwankt a Los. An die gegenteilig, S21 in Abbildung 4c hat die am wenigsten Betrag von Fluktuation. Diese Kurves anzeigen dass die kürzer die Gradient, die besser die Leistung.

HF und Mikrowellenplatte

Abbildung 4. Leistung von drei Mikrostreifenschaltungen mit unterschiedlichen Gradientenlinien; Originalausführung mit schmalem Verlauf (a), reduzierter Steigungslänge (b) und weiter reduzierter Steigungslänge (c)

Die vielleicht anschaulichste Kurve in Abbildung 4 zeigt die Impedanz von Kabel, Stecker und Schaltung (grüne Kurve). Die große Vorwärtswelle in Abbildung 4A stellt den Stecker-Port 1 dar, der mit dem Koaxialkabel verbunden ist, und der andere Peak auf der Kurve stellt den Stecker am anderen Ende der Schaltung dar. Die Fluktuation der Impedanzkurve wird durch die Verkürzung der Gradientenlinie reduziert. Die Verbesserung der Impedanzanpassung ist auf die Erweiterung und Verengung der Gradientenlinie im Signaleinspritzbereich zurückzuführen. Die breiteren Steigungen verringern die Sinnlichkeit.

We kann lernen mehr über die Größe von die Injektion Fläche Schaltung von an ausgezeichnet Signal Injektion Design 2, die auch Verwendungen die gleiche Platte and die gleiche dickness. A Coplanar Wellenleiter zu die Mikrostreifen Schaltung Brett, Verwendung die Erfahrung in Abbildung 4, produziert besser Ergebnisse als in Abbildung 4. Die die meisten vonfensichtlich Verbesserung is die Beseitigung von induktiv Peaks in die Impedanz Kurve, die in Tatsache is teilweise fällig zu induktiv Spitzen and kapazitiv Täler. Verwendung die richtig Gradient Linie is zu minimieren die Empfindlichkeit Peak während Verwendung die Injektion Zone Coplanar Erdung Pad Kupplung zu Zunahme Empfindlichkeit. Die Einfügen Verlust Kurve in FIG. 5 is glatter als dass in FIG. 4C and die zurück Verlust Kurve are auch verbessert. Die Beispiel gezeigt in Abbildung 4 Shows unterschiedlich Ergebnisse für Mikrostreifen Schaltungen Verwendung PCB Materialien mit Hochfrequenz-Energie und HF/Mikrowelle PCB dielektrisch konstants or unterschiedlich Dickees, or for Mikrostreifen Schaltungs Verwendung unterschiedlich Typen von Steckverbinder.