射頻/微波PCB的信號注入方法

將高頻能量從同軸連接器傳遞到印刷電路板(PCB)的過程通常被稱為信號注入，它的特征難以描述。能量傳遞的效率會因電路結(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)計及其與電路材料的相互作用都會影響性能。通過對不同信號注入設(shè)置的了解，以及對一些射頻微波信號注入方法的優(yōu)化案例的回顧，性能可以得到提升。

實現(xiàn)有效的信號注入與設(shè)計相關(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題。

信號注入設(shè)計與優(yōu)化

從同軸電纜和連接器到微帶PCB 的信號注入如圖1 所示。穿過同軸電纜和連接器的電磁(EM)場分布呈圓柱形，而PCB 內(nèi)的EM 場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)，場分布會改變以適應(yīng)新環(huán)境，從而產(chǎn)生異常。改變?nèi)Q于介質(zhì)類型;例如，信號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注入。

優(yōu)化涉及幾個變量。了解同軸電纜/ 連接器內(nèi)EM 場分布很有用，但還必須將接地回路視為傳播介質(zhì)的一部分。它對實現(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)的實際情況也考慮其中。

雖然信號發(fā)射連接器和PCB 之間的接地回路可能看上去不成問題，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，這些小差異的影響通常較小，但是頻率較高時對性能的影響很大。地回流路徑的實際長度會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 的信號導(dǎo)線時，回到連接器外殼的接地回路對于厚微帶傳輸線來說可能會太長。采用介電常數(shù)較高的PCB材料會增加接地回路的電長度，從而使問題惡化。通路延長會引發(fā)具有頻率相關(guān)性的問題，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)，并且會對其產(chǎn)生影響，從而產(chǎn)生回波損耗差異。理想情況下，接地回路的長度應(yīng)最小化，使得信號注入?yún)^(qū)不存在阻抗異常。請注意，圖2a 所示之連接器的接地點只存在于電路底部，而這是最糟糕的情況。很多RF 連接器的接地引腳與信號在同一層。這種情況下，PCB 上也會設(shè)計接地焊盤在那里。

圖2b 展示了接地共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶信號注入電路，在這里，電路的主體是微帶，但信號注入?yún)^(qū)是接地共面波導(dǎo)(GCPW)。共面發(fā)射微帶很有用，因為它能夠?qū)⒔拥鼗芈纷钚』?，并且還具有其它有用特性。如果使用信號導(dǎo)線兩邊均有接地引腳的連接器，那么接地引腳間距對性能有重大影響。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)行實驗時，使用了共面波導(dǎo)口接地間距不同，但其他部分類似的連接器(見圖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似端口的同軸連接器測試共面波導(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，性能相當(dāng)，但頻率高于15 GHz 時，接地間隔較大的電路性能變差。連接器類似，雖然這2 種型號的引腳直徑稍有不同，連接器B 的引腳直徑較大并且設(shè)計用于較厚的PCB 材料。這也可能會導(dǎo)致性能差異。

簡單且有效的信號注入優(yōu)化方法就是將信號發(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為電容增加。對于圖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)變時會出現(xiàn)很強的容性突變。通?？梢酝ㄟ^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，來減小容性突變。將PCB導(dǎo)線變窄會增加它的感性(或者降低容性，從而抵消阻抗曲線內(nèi)的容性突變。

必須考慮對不同頻率的影響。較長的漸變線會對低頻產(chǎn)更強的感性。例如，如果在低頻回?fù)p較差，同時有一個容性阻抗尖峰，此時使用較長的漸變線就比較合適。反之，較短的漸變線對高頻的作用就比較大。

對于共面結(jié)構(gòu)，相鄰接地面靠近時會增加電容。通常，通過對漸變信號線和相鄰接地面間隔大小的調(diào)節(jié)，來在相應(yīng)頻段調(diào)節(jié)信號注入?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，變窄的部分長度不長，以影響較高頻段。一般來說，導(dǎo)線漸變線變窄會增加感性。漸變線的長度影響頻率響應(yīng)。改變共面波導(dǎo)的鄰近接地焊盤能夠改變?nèi)菪?，焊盤間距之所以能夠改變頻響，其中對容性的改變起了主要作用。

實例

圖4 提供了一個簡單實例。圖4a 是一根具有狹長漸變線的粗微帶傳輸線。漸變線在板邊處寬0.018'(0.46 mm)，長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，漸變線的長度變短。選用了現(xiàn)場可壓接終端連接器，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)，波動很多。相反，圖4c 內(nèi)S21 的波動數(shù)量最少。這些曲線表明，漸變線越短，性能越高。

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

也許圖4 中最能說明問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，曲線上的另一個峰代表電路另一端的連接器。阻抗曲線上的波動由于漸變線的縮短而減小。阻抗匹配的改善是因為信號注入?yún)^(qū)的漸變線變寬，變窄;變寬的漸變線降低了感性。

我們能夠從一個優(yōu)秀的信號注入設(shè)計2 中了解更多注入?yún)^(qū)域電路尺寸的信息，這個電路也使用同樣的板材和同樣的厚度。一個共面波導(dǎo)轉(zhuǎn)微帶電路，通過利用圖4 的經(jīng)驗，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，同時使用注入?yún)^(qū)的共面接地焊盤耦合來增加感性。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型的連接器的微帶電路，圖4 所示實例的結(jié)果不同。

信號注入是一個很復(fù)雜的問題，受很多不同因素的影響。該實例和這些指導(dǎo)方針旨在幫助設(shè)計者了解基本原理。

審核編輯：湯梓紅