射頻/微波PCB的信號注入法門(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)為信號注入，它的特征難以描述。能量傳遞的效率會(huì )因電路結構不同而差異懸殊。PCB 材料及其厚度和工作頻率范圍等因素，以及連接器設計及其與電路材料的相互作用都會(huì )影響性能。通過(guò)對不同信號注入設置的了解，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(shí)現有效的信號注入與設計相關(guān)，一般寬帶優(yōu)化比窄帶更有挑戰性。通常高頻注入隨著(zhù)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，電路結構的復雜性增加而有更多問(wèn)題。

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(guò)同軸電纜和連接器的電磁（EM）場(chǎng)分布呈圓柱形，而PCB 內的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 )改變以適應新環(huán)境，從而產(chǎn)生異常。改變取決于介質(zhì)類(lèi)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（GCPW），還是帶線(xiàn)。同軸電纜連接器的類(lèi)型也起著(zhù)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(gè)變量。了解同軸電纜/ 連接器內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。它對實(shí)現從一種傳播介質(zhì)到另一種傳播介質(zhì)的平穩阻抗轉變通常是有幫助的。了解阻抗不連續點(diǎn)處的容 抗和感抗讓我們能夠理解電路表現。如果能夠進(jìn)行三維（3D）EM 仿真，就可以觀(guān)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，但并不總是如此。連接器的金屬和PCB 之間通常存在著(zhù)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)對性能的影響很大。地回流路徑的實(shí)際長(cháng)度會(huì )影響利用給定的連接器和PCB 組合能夠實(shí)現的傳輸質(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 的信號導線(xiàn)時(shí)，回到連接器外殼的接地回路對于厚微帶傳輸線(xiàn)來(lái)說(shuō)可能會(huì )太長(cháng)。采用介電常數較高的PCB材料會(huì )增加接地回路的電長(cháng)度，從而使問(wèn)題惡化。通路延 長(cháng)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。二者都與變換區內的阻抗相關(guān)，并且會(huì )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(cháng)度應最小化，使得信號注入區不存在阻抗異常。請注意，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在同一層。這種情況下，PCB 上也會(huì )設計接地焊盤(pán)在那里。

圖2b 展示了接地共面波導轉微帶信號注入電路，在這里，電路的主體是微帶，但信號注入區是接地共面波導（GCPW）。共面發(fā)射微帶很有用，因為它能夠將接地回路 最小化，并且還具有其它有用特性。如果使用信號導線(xiàn)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。

圖2. 厚微帶傳輸線(xiàn)電路和較長(cháng)的到連接器的地回流路徑（a）接地共面波導轉微帶的信號注入電路（b）。

在利用基于羅杰斯公司10mil 厚RO4350B 層壓板的共面波導轉微帶微帶進(jìn)行實(shí)驗時(shí)，使用了共面波導口接地間距不同，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試共面波導轉微帶電路。

x 軸表示頻率，每格5 GHz。微波頻率較低（ 5 GHz）時(shí)，性能相當，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 種型號的引腳直徑稍有不同，連接器B 的引腳直徑較大并且設計用于較厚的PCB 材料。這也可能會(huì )導致性能差異。

簡(jiǎn)單且有效的信號注入優(yōu)化方法就是將信號發(fā)射區內的阻抗失配最小化。阻抗曲線(xiàn)上升基本上是由于電感增加，而 阻抗曲線(xiàn)下降則是因為電容增加。對于圖2a 所示之厚微帶傳輸線(xiàn)（假設PCB 材料的介電常數較低，約為3.6），導線(xiàn)較寬- 比連接器的內導體寬得多。由于電路導線(xiàn)和連接器導線(xiàn)的尺寸差異較大，所以轉變時(shí)會(huì )出現很強的容性突變。通?？梢酝ㄟ^(guò)將電路導線(xiàn)逐漸變細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導線(xiàn)變窄會(huì )增加它的感性（或者降低容性，從而抵消阻抗曲線(xiàn)內的容性突變。

必須考慮對不同頻率的影響。較長(cháng)的漸變線(xiàn)會(huì )對低頻產(chǎn)更強的感性。例如，如果在低頻回損較差，同時(shí)有一個(gè)容性阻抗尖峰，此時(shí)使用較長(cháng)的漸變線(xiàn)就比較合適。反之，較短的漸變線(xiàn)對高頻的作用就比較大。