射頻/微波PCB的信號(hào)注入\"法門(mén)\"

將高頻能量從同軸連接器傳 遞到印刷電路板(PCB)的過(guò)程通常被稱(chēng)為信號(hào)注入，它的特征難以描述。能量傳遞的效率會(huì)因電路結(jié)構(gòu)不同而差異懸殊。PCB 材料及其厚度和工作頻率范圍等因素，以及連接器設(shè)計(jì)及其與電路材料的相互作用都會(huì)影響性能。通過(guò)對(duì)不同信號(hào)注入設(shè)置的了解，以及對(duì)一些射頻微波信號(hào)注入方 法的優(yōu)化案例的回顧，性能可以得到提升。

實(shí)現(xiàn)有效的信號(hào)注入與設(shè)計(jì)相關(guān)，一般寬帶優(yōu)化比窄帶更有挑戰(zhàn)性。通常高頻注入隨著頻率升高而更加困難，同時(shí)也可能隨電路材料的厚度增加，電路結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性增加而有更多問(wèn)題。

信號(hào)注入設(shè)計(jì)與優(yōu)化

從同軸電纜和連接器到微帶PCB 的信號(hào)注入如圖1 所示。穿過(guò)同軸電纜和連接器的電磁(EM)場(chǎng)分布呈圓柱形，而PCB 內(nèi)的EM 場(chǎng)分布則是平面或矩形。從一種傳播介質(zhì)進(jìn)入另一種介質(zhì)，場(chǎng)分布會(huì)改變以適應(yīng)新環(huán)境，從而產(chǎn)生異常。改變?nèi)Q于介質(zhì)類(lèi)型;例如，信號(hào)注入是從同軸電纜和連接 器到微帶、接地共面波導(dǎo)(GCPW)，還是帶線。同軸電纜連接器的類(lèi)型也起著重要作用。

圖1. 從同軸電纜和連接器到微帶的信號(hào)注入。

優(yōu)化涉及幾個(gè)變量。了解同軸電纜/ 連接器內(nèi)EM 場(chǎng)分布很有用，但還必須將接地回路視為傳播介質(zhì)的一部分。它對(duì)實(shí)現(xiàn)從一種傳播介質(zhì)到另一種傳播介質(zhì)的平穩(wěn)阻抗轉(zhuǎn)變通常是有幫助的。了解阻抗不連續(xù)點(diǎn)處的容 抗和感抗讓我們能夠理解電路表現(xiàn)。如果能夠進(jìn)行三維(3D)EM 仿真，就可以觀察到電流密度分布。此外，最好將與輻射損耗有關(guān)的實(shí)際情況也考慮其中。

雖然信號(hào)發(fā)射連接器和PCB 之間的接地回路可能看上去不成問(wèn)題，從連接器到PCB的接地回路非常連續(xù)，但并不總是如此。連接器的金屬和PCB 之間通常存在著很小的表面電阻。連接不同部件的焊店和這些部件的金屬的電導(dǎo)率也有很小的差異。在RF 和微波頻率較低時(shí)，這些小差異的影響通常較小，但是頻率較高時(shí)對(duì)性能的影響很大。地回流路徑的實(shí)際長(zhǎng)度會(huì)影響利用給定的連接器和PCB 組合能夠?qū)崿F(xiàn)的傳輸質(zhì)量。

如圖2a 所示，在電磁波能量從連接器引腳傳遞到微帶PCB 的信號(hào)導(dǎo)線時(shí)，回到連接器外殼的接地回路對(duì)于厚微帶傳輸線來(lái)說(shuō)可能會(huì)太長(zhǎng)。采用介電常數(shù)較高的PCB材料會(huì)增加接地回路的電長(zhǎng)度，從而使問(wèn)題惡化。通路延 長(zhǎng)會(huì)引發(fā)具有頻率相關(guān)性的問(wèn)題，進(jìn)而產(chǎn)生局部的相速和電容差異。二者都與變換區(qū)內(nèi)的阻抗相關(guān)，并且會(huì)對(duì)其產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生回波損耗差異。理想情況下，接 地回路的長(zhǎng)度應(yīng)最小化，使得信號(hào)注入?yún)^(qū)不存在阻抗異常。請(qǐng)注意，圖2a 所示之連接器的接地點(diǎn)只存在于電路底部，而這是最糟糕的情況。很多RF 連接器的接地引腳與信號(hào)在同一層。這種情況下，PCB 上也會(huì)設(shè)計(jì)接地焊盤(pán)在那里。

圖2b 展示了接地共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶信號(hào)注入電路，在這里，電路的主體是微帶，但信號(hào)注入?yún)^(qū)是接地共面波導(dǎo)(GCPW)。共面發(fā)射微帶很有用，因?yàn)樗軌驅(qū)⒔拥鼗芈? 最小化，并且還具有其它有用特性。如果使用信號(hào)導(dǎo)線兩邊均有接地引腳的連接器，那么接地引腳間距對(duì)性能有重大影響。已經(jīng)證明該距離影響頻率響應(yīng)。

圖2. 厚微帶傳輸線電路和較長(zhǎng)的到連接器的地回流路徑(a)接地共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶的信號(hào)注入電路(b)。

在利用基于羅杰斯公司10mil 厚RO4350B 層壓板的共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶微帶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)，使用了共面波導(dǎo)口接地間距不同，但其他部分類(lèi)似的連接器(見(jiàn)圖3)。連接器A 的接地間隔約為0.030"，而連接器B 的接地間隔為0.064"。這兩種情況下，連接器發(fā)射到同一電路上。

圖3. 利用具有不同接地間隔的類(lèi)似端口的同軸連接器測(cè)試共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶電路。

x 軸表示頻率，每格5 GHz。微波頻率較低(< 5 GHz)時(shí)，性能相當(dāng)，但頻率高于15 GHz 時(shí)，接地間隔較大的電路性能變差。連接器類(lèi)似，雖然這2 種型號(hào)的引腳直徑稍有不同，連接器B 的引腳直徑較大并且設(shè)計(jì)用于較厚的PCB 材料。這也可能會(huì)導(dǎo)致性能差異。

簡(jiǎn)單且有效的信號(hào)注入優(yōu)化方法就是將信號(hào)發(fā)射區(qū)內(nèi)的阻抗失配最小化。阻抗曲線上升基本上是由于電感增加，而 阻抗曲線下降則是因?yàn)殡娙菰黾?。?duì)于圖2a 所示之厚微帶傳輸線(假設(shè)PCB 材料的介電常數(shù)較低，約為3.6)，導(dǎo)線較寬- 比連接器的內(nèi)導(dǎo)體寬得多。由于電路導(dǎo)線和連接器導(dǎo)線的尺寸差異較大，所以轉(zhuǎn)變時(shí)會(huì)出現(xiàn)很強(qiáng)的容性突變。通?？梢酝ㄟ^(guò)將電路導(dǎo)線逐漸變細(xì)以便減小它與同軸連 接器引腳連接的地方形成的尺寸差距，來(lái)減小容性突變。將PCB導(dǎo)線變窄會(huì)增加它的感性(或者降低容性，從而抵消阻抗曲線內(nèi)的容性突變。

必須考慮對(duì)不同頻率的影響。較長(zhǎng)的漸變線會(huì)對(duì)低頻產(chǎn)更強(qiáng)的感性。例如，如果在低頻回?fù)p較差，同時(shí)有一個(gè)容性阻抗尖峰，此時(shí)使用較長(zhǎng)的漸變線就比較合適。反之，較短的漸變線對(duì)高頻的作用就比較大。

對(duì)于共面結(jié)構(gòu)，相鄰接地面靠近時(shí)會(huì)增加電容。通常，通過(guò)對(duì)漸變信號(hào)線和相鄰接地面間隔大小的調(diào)節(jié)，來(lái)在相應(yīng)頻段調(diào)節(jié)信號(hào)注入?yún)^(qū)的感性容性。某些 情況下，共面 波導(dǎo)的相鄰接地焊盤(pán)在漸變線的一段上較寬，以調(diào)節(jié)較低的頻段。然后，間距在漸變線較寬的部分變窄，變窄的部分長(zhǎng)度不長(zhǎng)，以影響較高頻段。一般來(lái)說(shuō)，導(dǎo)線漸 變線變窄會(huì)增加感性。漸變線的長(zhǎng)度影響頻率響應(yīng)。改變共面波導(dǎo)的鄰近接地焊盤(pán)能夠改變?nèi)菪?，焊盤(pán)間距之所以能夠改變頻響，其中對(duì)容性的改變起了主要作用。

實(shí)例

圖 4 提供了一個(gè)簡(jiǎn)單實(shí)例。圖4a 是一根具有狹長(zhǎng)漸變線的粗微帶傳輸線。漸變線在板邊處寬0.018"(0.46 mm)，長(zhǎng)0.110"(2.794 mm)，最后變成了寬0.064"(1.626 mm)的50 Ω 線寬。在圖4b 和4c 中，漸變線的長(zhǎng)度變短。選用了現(xiàn)場(chǎng)可壓接終端連接器，未焊接，所以每種情況均使用同一內(nèi)導(dǎo)體。微帶傳輸線長(zhǎng)2"(50.8 mm)，加工在厚30mil(0.76 mm)的RO4350B ™微波電路層壓板上，介電常數(shù)為3.66。在圖4a 中，藍(lán)色曲線代表插入損耗(S21)，波動(dòng)很多。相反，圖4c 內(nèi)S21 的波動(dòng)數(shù)量最少。這些曲線表明，漸變線越短，性能越高。

圖4. 3 個(gè)具有不同漸變線的微帶電路的性能;具有狹長(zhǎng)漸變線的原始設(shè)計(jì)(a)、減小漸變線的長(zhǎng)度(b)和漸變線的長(zhǎng)度進(jìn)一步減小(c)。

也許圖4中最能說(shuō)明問(wèn)題的曲線表明了電纜、連接器和電路的阻抗(綠色曲線)。圖4a 中大的正向波峰代表連接著同軸電纜的連接器端口1，曲線上的另一個(gè)峰代表電路另一端的連接器。阻抗曲線上的波動(dòng)由于漸變線的縮短而減小。阻抗匹配的改善是 因?yàn)樾盘?hào)注入?yún)^(qū)的漸變線變寬，變窄;變寬的漸變線降低了感性。

我們能夠從一個(gè)優(yōu)秀的信號(hào)注入設(shè)計(jì)2 中了解更多注入?yún)^(qū)域電路尺寸的信息，這個(gè)電路也使用同樣的板材和同樣的厚度。一個(gè)共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶電路，通過(guò)利用圖4 的經(jīng)驗(yàn)，產(chǎn)生了比圖4 更好的效果。最明顯的改善是消除了阻抗曲線中的感性峰，事實(shí)上，這是部分感性峰和容性谷造成的。使用正確的漸變線是感性峰降到最低，同時(shí)使用注入?yún)^(qū)的共面 接地焊盤(pán)耦合來(lái)增加感性。圖5 的插入損耗曲線比圖4c 平滑，回波損耗曲線也有所改善。對(duì)于采用介電常數(shù)較高或厚度不同的PCB 材料的微帶電路或者采用不同類(lèi)型的連接器的微帶電路，圖4 所示實(shí)例的結(jié)果不同。

信號(hào)注入是一個(gè)很復(fù)雜的問(wèn)題，受很多不同因素的影響。該實(shí)例和這些指導(dǎo)方針旨在幫助設(shè)計(jì)者了解基本原理。