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Technique RF
Méthodes d'injection des signaux RF et micro - ondes PCB
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Méthodes d'injection des signaux RF et micro - ondes PCB

Méthodes d'injection des signaux RF et micro - ondes PCB

2021-07-27
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Author:Fanny

The process of transferring Énergie à haute fréquence et PCB RF / micro - ondes from a coaxial connector to a printed circuit board (PCB) is often referred to as signal injection, and its characteristics are difficult to describe. L'efficacité de la transmission d'énergie varie considérablement selon la structure du circuit.. Factors such as the PCB material and its thickness and operating frequency range, Et la conception du connecteur et son interaction avec le matériau du circuit, can affect performance. La performance peut être améliorée en comprenant les différents paramètres d'injection du signal et en examinant certains cas d'optimisation RF et micro - ondes Méthode d'injection du signal.

Achieving effective signal injection is design-related, En général, broadLe Groupe optimization is more challenging than narrowband optimization. En général, Haute fréquence injection becomes more difficult as the frequency increases and may become more problematic as the thickness of the circuit material increases and the complexity of the circuit structure increases.

Conception et optimisation de l'injection de signaux

L'injection du signal du câble coaxial et du connecteur au PCB Microstrip est illustrée à la figure 1. La distribution des champs électromagnétiques à travers les câbles coaxiaux et les connecteurs est cylindrique, tandis que la distribution des champs électromagnétiques à l'intérieur des PCB est plane ou rectangulaire. D'un milieu à l'autre, la distribution du champ magnétique change pour s'adapter au nouvel environnement, ce qui entraîne des anomalies. Le changement dépend du type de support; Par exemple, l'injection du signal se fait à partir de câbles et de connecteurs coaxiaux vers des microstrips, des guides d'ondes coplanaires au sol (GCP) ou des bandes. Le type de connecteur de câble coaxial joue également un rôle important.

RF and Microwave PCB

Figure 1. Injection du signal du câble coaxial et du connecteur au Microstrip

L'optimisation implique plusieurs variables. Il est utile de connaître la distribution des champs électromagnétiques dans les câbles / connecteurs coaxiaux, mais les circuits au sol doivent également être considérés comme faisant partie du milieu de propagation. Il est souvent utile d'effectuer une transition d'impédance en douceur d'un support de propagation à un autre. La compréhension de la capacité et de l'inductance aux discontinuités d'impédance nous permet de comprendre les performances du circuit. Si vous pouvez effectuer une simulation em 3D (3d), vous pouvez observer la distribution de la densité de courant. En outre, il est préférable de tenir compte des conditions réelles liées aux pertes de rayonnement.

While the ground loop between the signal transmitter connector and PCB may seem unproblematic, La boucle au sol du connecteur au PCB est très continue, but this is not always the case. Il y a généralement une petite résistance de surface entre le métal du connecteur et le PCB. There are also small differences in electrical conductivity between the welders that connect different parts and the metals in those parts. Faible RF et micro - ondes frequencies, Ces petites différences ont généralement peu d'impact, but at higher frequencies, Ils peuvent avoir un impact significatif sur le rendement. The actual length of the backflow path affects the quality of transmission that can be achieved Avec a given combination of connectors and PCBs.

Comme le montre la Figure 2A, the ground loop back to the connector housing may be too long for thick microstrip transmission lines as electromagnetic energy is transferred from the connector pins to the signal lead of the microstrip PCB. Utilisation Matériaux PCB with high frequency dielectric constants can exacerbate the problem by increasing the electrical length of the ground loop. L'extension du chemin peut causer des problèmes liés à la fréquence, resulting in local phase velocity and capacitance differences. Ils sont tous liés à l'impédance de la région de transformation et ont un effet sur elle, resulting in return loss differences. Idéal, the length of the ground loop should be minimized so that there is no impedance anomaly in the signal injection area. Notez que le sol du connecteur illustré à la Figure 2A n'existe qu'au bas du circuit., and this is the worst case. De nombreux connecteurs RF ont des broches au sol au même niveau que le signal. In this case, Le PCB y concevra également un tapis de mise à la terre.

La figure 2B montre un circuit d'injection de signal coplanaire au sol à Microstrip. Ici, le corps principal du circuit est Microstrip, mais la zone d'injection du signal est le Guide d'onde coplanaire au sol (GCP). Les microstrips d'émission coplanaires sont utiles parce qu'ils minimisent les boucles de mise à la terre et ont d'autres caractéristiques utiles. Si le connecteur est utilisé avec des broches au sol des deux côtés du fil de signalisation, l'espacement des broches au sol a un effet significatif sur les performances. Des études montrent que la distance influence la réponse en fréquence.

RF and Microwave PCB

Figure 2. Thick microstrip transmission line circuit and longer ground return path to connector (a)

Circuit d'injection de signaux coplanaires au sol à Microstrip (b)

Dans l'expérience du Guide d'onde coplanaire à Microstrip basée sur Rogers 10 mm d'épaisseur Ro4350b laminates, coplanar waveguide ports with different ground spacing but otherwise similar connectors were used (see Figure 3). L'intervalle de mise à la terre du connecteur a est d'environ 0.030" and connector B has A grounding interval of 0.064 ". In both cases, Le connecteur émet sur le même circuit.

RF and Microwave PCB

Figure 3. Tester le Guide d'onde coplanaire à Microstrip à l'aide d'un connecteur coaxial avec des ports similaires à différents intervalles de mise à la terre

The X-axis is the frequency, 5 GHz par grille. At low microwave frequencies (< 5 GHz), Les performances du circuit sont les mêmes, Mais à des fréquences supérieures à 15 GHz, the performance of the circuit with a large grounding interval deteriorates. Les connecteurs sont similaires, although the pin diameters of the two models are slightly different, Le connecteur B a un grand diamètre de broche et est conçu pour des câbles plus épais Matériaux PCB. Cela peut également entraîner des différences de rendement..

Une méthode simple et efficace pour optimiser l'injection du signal est de réduire au minimum l'inadéquation de l'impédance dans la région de transmission du signal.. The impedance curve rises basically because of an increase in inductance and falls because of an increase in capacitance. For the thick microstrip transmission line shown in Figure 2A (assuming a low dielectric constant of the PCB material, Vers trois heures..6), Conducteur plus large - beaucoup plus large que le conducteur intérieur du connecteur. Because of the large size difference between the circuit lead and the connector lead, Il y a une forte mutation Capacitive durant la transition. Les sauts de capacité peuvent généralement être réduits en amincissant les fils de circuit pour réduire l'écart dimensionnel entre eux et les broches du connecteur coaxial.. Narrowing the PCB lead will increase its sensitivity (or decrease capacitive, thereby offsetting capacitive mutations in the impedance curve.

Les effets sur les différentes fréquences doivent être pris en considération. Les gradients plus longs sont plus sensibles aux basses fréquences. Par exemple, si la perte de retour est faible à basse fréquence et qu'il y a des pointes d'impédance Capacitive, une ligne de gradient plus longue peut être appropriée. En revanche, un gradient plus court a un plus grand effet sur la haute fréquence.

Pour les structures coplanaires, capacitance increases when adjacent ground surfaces approach. En gros, the sensitivity of the signal injection region is adjusted in the corresponding frequency band by adjusting the spacing between the gradient signal line and the adjacent ground. Dans certains cas, the adjacent grounding pads of the coplanar waveguide are wider along one section of the gradient line to regulate the lower frequency band. Et puis..., the spacing Narrows at the wider part of the gradient line, La partie plus étroite n'est pas longue et n'affecte pas Haute fréquence band. In general, La réduction du gradient du fil augmente la sensation. The length of the gradient line affects the frequency response. La capacité peut être modifiée en changeant les coussins de mise à la terre adjacents des guides d'ondes coplanaires. L'espacement entre les Pads modifie la réponse en fréquence, which plays a major role in the change of capacitive.

The instance

Figure 4 provides a simple example. Figure 4A is a thick microstrip transmission line with a long and narrow gradient. La ligne de gradient est 0.018" (0.46 mm) wide and 0.110" (2.794 mm) long at the edge of the plate, and finally becomes a 50 ω line width of 0.064" (1.626 mm) wide. Dans les figures 4b et 4c, La longueur du gradient devient plus courte. Utiliser des connecteurs terminaux sertis sur le terrain, non soudés, so the same inner conductor is used in each case. The microstrip transmission line is 2" (50.8mm) long and machined in a 30mil (0.76mm) thick Ro4350b? The dielectric constant of microwave circuit laminates is 3.66.. In Figure 4A, the blue curve represents the insertion loss (S21), which fluctuates a lot. Au contraire., S21 in Figure 4c has the least amount of fluctuation. Ces courbes indiquent que plus le gradient est court,, the better the performance.

Circuits RF et micro - ondes

Figure 4. Performance of three microstrip circuits with different gradient lines; Original design with narrow gradient (a), reduced gradient length (b), and further reduced gradient length (c)

Peut - être la courbe la plus illustrative de la figure 4 montre - t - elle l'impédance (courbe verte) des câbles, des connecteurs et des circuits. La grande onde positive de la figure 4A représente le port 1 du connecteur relié au câble coaxial, et l'autre pic de la courbe représente le connecteur à l'autre extrémité du circuit. En raccourcissant la ligne de gradient, la fluctuation de la courbe d'impédance diminue. L'amélioration de l'appariement de l'impédance est due à l'élargissement et au rétrécissement des lignes de gradient dans la région d'injection du signal. Une pente plus large réduit la libido.

Nous pouvons en savoir plus sur la taille du circuit de la zone d'injection à partir d'une excellente conception d'injection de signal, Il utilise également la même plaque et la même épaisseur. A coplanar waveguide to the microstrip circuit board, Utiliser l'expérience de la figure 4, Produire de meilleurs résultats que la figure 4. The most obvious improvement is the elimination of inductive peaks in the impedance curve, Ceci est en partie dû aux pics d'inductance et aux vallées de capacité. Les lignes de gradient correctes sont utilisées pour minimiser les pics de sensibilité tout en augmentant la sensibilité à l'aide d'un couplage de coussin de sol coplanaire dans la zone d'injection.. Insérer un graphique de perte. 5 is smoother than that in FIG. Les courbes de perte de 4C et de régression ont également été améliorées.. The example shown in Figure 4 shows different results for microstrip circuits using Matériaux PCB with Énergie à haute fréquence et PCB RF / micro - ondes Constante diélectrique ou épaisseur différente, or for microstrip circuits using different types of connectors.