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射频/微波PCB的信号注入方法解析
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2017-11-09
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将高频能量从同轴连接器传 递到印刷电路板（PCB）的过程通常被称为信号注入，它的特征难以描述。能量传递的效率会因电路结构不同而差异悬殊。PCB 材料及其厚度和工作频率范围等因素，以及连接器设计及其与电路材料的相互作用都会影响性能。通过对不同信号注入设置的了解，以及对一些射频微波信号注入方 法的优化案例的回顾，性能可以得到提升。
实现有效的信号注入与设计相关，一般宽带优化比窄带更有挑战性。通常高频注入随着频率升高而更加困难，同时也可能随电路材料的厚度增加，电路结构的复杂性增加而有更多问题。
信号注入设计与优化
从同轴电缆和连接器到微带PCB 的信号注入如图1 所示。穿过同轴电缆和连接器的电磁（EM）场分布呈圆柱形，而PCB 内的EM 场分布则是平面或矩形。从一种传播介质进入另一种介质，场分布会改变以适应新环境，从而产生异常。改变取决于介质类型；例如，信号注入是从同轴电缆和连接 器到微带、接地共面波导（GCPW），还是带线。同轴电缆连接器的类型也起着重要作用。
图1. 从同轴电缆和连接器到微带的信号注入。
优化涉及几个变量。了解同轴电缆/ 连接器内EM 场分布很有用，但还必须将接地回路视为传播介质的一部分。它对实现从一种传播介质到另一种传播介质的平稳阻抗转变通常是有帮助的。了解阻抗不连续点处的容 抗和感抗让我们能够理解电路表现。如果能够进行三维（3D）EM 仿真，就可以观察到电流密度分布。此外，最好将与辐射损耗有关的实际情况也考虑其中。
虽然信号发射连接器和PCB 之间的接地回路可能看上去不成问题，从连接器到PCB的接地回路非常连续，但并不总是如此。连接器的金属和PCB 之间通常存在着很小的表面电阻。连接不同部件的焊店和这些部件的金属的电导率也有很小的差异。在RF 和微波频率较低时，这些小差异的影响通常较小，但是频率较高时对性能的影响很大。地回流路径的实际长度会影响利用给定的连接器和PCB 组合能够实现的传输质量。
如图2a 所示，在电磁波能量从连接器引脚传递到微带PCB 的信号导线时，回到连接器外壳的接地回路对于厚微带传输线来说可能会太长。采用介电常数较高的PCB材料会增加接地回路的电长度，从而使问题恶化。通路延 长会引发具有频率相关性的问题，进而产生局部的相速和电容差异。二者都与变换区内的阻抗相关，并且会对其产生影响，从而产生回波损耗差异。理想情况下，接 地回路的长度应最小化，使得信号注入区不存在阻抗异常。请注意，图2a 所示之连接器的接地点只存在于电路底部，而这是最糟糕的情况。很多RF 连接器的接地引脚与信号在同一层。这种情况下，PCB 上也会设计接地焊盘在那里。
图2b 展示了接地共面波导转微带信号注入电路，在这里，电路的主体是微带，但信号注入区是接地共面波导（GCPW）。共面发射微带很有用，因为它能够将接地回路 最小化，并且还具有其它有用特性。如果使用信号导线两边均有接地引脚的连接器，那么接地引脚间距对性能有重大影响。已经证明该距离影响频率响应。
图2. 厚微带传输线电路和较长的到连接器的地回流路径（a）接地共面波导转微带的信号注入电路（b）。
在利用基于罗杰斯公司10mil 厚RO4350B 层压板的共面波导转微带微带进行实验时，使用了共面波导口接地间距不同，但其他部分类似的连接器（见图3）。连接器A 的接地间隔约为0.030“，而连接器B 的接地间隔为0.064”。这两种情况下，连接器发射到同一电路上。
实现有效的信号注入与设计相关，一般宽带优化比窄带更有挑战性。通常高频注入随着频率升高而更加困难，同时也可能随电路材料的厚度增加，电路结构的复杂性增加而有更多问题。
信号注入设计与优化
从同轴电缆和连接器到微带PCB 的信号注入如图1 所示。穿过同轴电缆和连接器的电磁（EM）场分布呈圆柱形，而PCB 内的EM 场分布则是平面或矩形。从一种传播介质进入另一种介质，场分布会改变以适应新环境，从而产生异常。改变取决于介质类型；例如，信号注入是从同轴电缆和连接 器到微带、接地共面波导（GCPW），还是带线。同轴电缆连接器的类型也起着重要作用。
图1. 从同轴电缆和连接器到微带的信号注入。
优化涉及几个变量。了解同轴电缆/ 连接器内EM 场分布很有用，但还必须将接地回路视为传播介质的一部分。它对实现从一种传播介质到另一种传播介质的平稳阻抗转变通常是有帮助的。了解阻抗不连续点处的容 抗和感抗让我们能够理解电路表现。如果能够进行三维（3D）EM 仿真，就可以观察到电流密度分布。此外，最好将与辐射损耗有关的实际情况也考虑其中。
虽然信号发射连接器和PCB 之间的接地回路可能看上去不成问题，从连接器到PCB的接地回路非常连续，但并不总是如此。连接器的金属和PCB 之间通常存在着很小的表面电阻。连接不同部件的焊店和这些部件的金属的电导率也有很小的差异。在RF 和微波频率较低时，这些小差异的影响通常较小，但是频率较高时对性能的影响很大。地回流路径的实际长度会影响利用给定的连接器和PCB 组合能够实现的传输质量。
如图2a 所示，在电磁波能量从连接器引脚传递到微带PCB 的信号导线时，回到连接器外壳的接地回路对于厚微带传输线来说可能会太长。采用介电常数较高的PCB材料会增加接地回路的电长度，从而使问题恶化。通路延 长会引发具有频率相关性的问题，进而产生局部的相速和电容差异。二者都与变换区内的阻抗相关，并且会对其产生影响，从而产生回波损耗差异。理想情况下，接 地回路的长度应最小化，使得信号注入区不存在阻抗异常。请注意，图2a 所示之连接器的接地点只存在于电路底部，而这是最糟糕的情况。很多RF 连接器的接地引脚与信号在同一层。这种情况下，PCB 上也会设计接地焊盘在那里。
图2b 展示了接地共面波导转微带信号注入电路，在这里，电路的主体是微带，但信号注入区是接地共面波导（GCPW）。共面发射微带很有用，因为它能够将接地回路 最小化，并且还具有其它有用特性。如果使用信号导线两边均有接地引脚的连接器，那么接地引脚间距对性能有重大影响。已经证明该距离影响频率响应。
图2. 厚微带传输线电路和较长的到连接器的地回流路径（a）接地共面波导转微带的信号注入电路（b）。
在利用基于罗杰斯公司10mil 厚RO4350B 层压板的共面波导转微带微带进行实验时，使用了共面波导口接地间距不同，但其他部分类似的连接器（见图3）。连接器A 的接地间隔约为0.030“，而连接器B 的接地间隔为0.064”。这两种情况下，连接器发射到同一电路上。
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