SMA-Steckverbinderübergänge auf einer RF-Platine

In meinem letzten Projekt zum Leistungsverstärkermodul habe ich die High-Level-Ansicht gezeigt, wie man verschiedene Komponenten in einem Leistungsmodul platzieren und verbinden kann, das einige grundlegende Komponenten verwendet hat. Im Modul wurden SMA-Edge-Steckverbinder verwendet, um Strom einzuspeisen und das erzeugte RF-Signal bei 6,3 GHz auszugeben. Aber es gab eine Sache, die ich vergessen hatte, in einem meiner SMA-Steckverbinder-Footprints einzuschließen: den Bodenabstand unter einem der Lötpads im SMA-Footprint.

Es ist mir ein wenig peinlich, denn das System, das die Grundlage dieses Beispielprojekts bildete, enthielt den Bodenabstand. In einigen RF-Designs ist es wichtig, den richtigen Bodenabstand unter bestimmten Komponenten als Teil der Impedanzanpassung einzubeziehen, ähnlich wie man den Bodenabstand um ein Impedanzanpassungsnetzwerk erhöhen könnte..

In diesem Artikel werde ich zeigen, warum der Bedarf an größerem Bodenabstand unter einem SMA-Edge-Steckverbinder entstehen kann, sowie den Bedarf an zusätzlichem Abstand auf der PCB bewerten. Ich werde auch einige Simulationsergebnisse zeigen, die die Auswirkungen des Bodenabstands unter dem Signalkontakt des Steckverbinders veranschaulichen.

Was bei großen SMA-Steckverbinder-Landepads passieren kann

Wenn das Landepad auf einem SMA-Edge-Connector-Footprint sehr groß ist, kann dies ein Potenzial für eine Impedanzfehlanpassung schaffen. Wenn man sich einen SMA-Edge-Connector wie den Taoglas EMPCB.SMAFSTJ.B.HT ansieht, ist leicht zu erkennen, dass der Pin auf der Rückseite des Connectors ziemlich groß ist. Dies erfordert ein breiteres und längeres Landepad, damit der Connector am Rand der Leiterplatte angelötet werden kann.

Sehen Sie sich das Beispiel unten an, wo eine 50-Ohm-Eingangsspeiseleitung mit einem SMA-Edge-Connector im Powermodul-Projekt verbunden ist. Wenn man das Pad betrachtet, als wäre es nur eine kurze Übertragungsleitung, würde man feststellen, dass seine charakteristische Impedanz etwa 14 Ohm beträgt.

Obwohl das Pad kurz ist, reicht dies aus, um eine signifikante Abweichung von der angestrebten 50-Ohm-Eingangsimpedanz beim Blick in den SMA-Edge-Connector zu erzeugen. Es ist angebracht zu fragen, ob dies übermäßige Reflexionen verursachen wird, was durch Betrachten eines S11-Diagramms bewertet werden kann.

Bei der Behandlung dieses Problems haben wir drei mögliche Optionen, um eine engere Impedanzanpassung zu gewährleisten:

1. Entfernen Sie etwas Masse unter dem Pad, damit die Abweichung der Eingangsimpedanz minimal ist
2. Platzieren Sie einen Übergang zwischen der Übertragungsleitung und dem Pad
3. Beides, #1 und #2

Indem man zunächst etwas von der Masse um das Landepad herum entfernt, ist es möglich, die Eingangsimpedanz, die in das Pad blickt, zu erhöhen, sodass sie viel näher an 50 Ohm liegt.

Alternatives Design

Ein alternatives Design, das beide Techniken implementiert, wird unten gezeigt. Zwei Änderungen wurden vorgenommen: das Platzieren eines Masseausschnitts unter dem Pad auf L2 und L3 und das Hinzufügen eines Übergangs zusätzlich zum Masseausschnitt (Option #3)

Was passiert, wenn die Masse auf L2 und L3 entfernt wird? Wir werden immer noch Masse auf L4 und L1 haben, also wird L4 die untere Referenz für das Pad sein. Das bedeutet im Grunde, dass wir eine alternative koplanare Wellenleiterkonfiguration haben; wir müssen nur den Abstand von Pad zu Masse auf L1 anpassen, um die Zielimpedanz von 50 Ohm zu erreichen.

Wie wir aus den Impedanzergebnissen im Layer Stack Manager sehen können, stellen wir fest, dass das 50-Ohm-Ziel für unser 50 mil breites Pad einfach erreicht wird, indem der koplanare Masseabstand von 6 mil auf 10 mil erhöht wird.

Im nächsten Abschnitt möchten wir uns die S11-Kurve für diese Verbindung ohne Erdungsfreigabe, nur mit der Freigabe (Option #1) und mit der Freigabe + konischer Anordnung, wie oben gezeigt (Option #3), ansehen.

S11-Ergebnisse

Das Bild unten zeigt simulierte S11-Kurven für drei Anordnungen (keine Freigabe/Kegel, angewandte Freigabe und Freigabe + Kegel). Diese Kurven wurden einzeln in Simbeor simuliert und dann in Excel zusammengeführt. Die gestrichelte Linie zeigt die Zielbetriebsfrequenz von 6,3 GHz an. Beachten Sie, dass der Steckergehäusekörper nicht Teil der Simulation war; eine wesentlich genauere Simulation würde erfordern, den Steckergehäusekörper einzubeziehen und eine 3D-Feldlösersimulation damit durchzuführen oder den Steckergehäusekörper als Teil des linearen Netzwerks für dieses System einzubeziehen.

Die Ergebnisse oben zeigen, dass die GND-Freigabeanordnung ohne Kegel die beste Leistung bei der Ziel-Frequenz bietet, obwohl das Design mit dem Kegel immer noch akzeptabel wäre. Das Design mit dem Kegel kann verbessert werden, da ein rigoroser Kegel-Designprozess in diesem einfachen Beispiel nicht implementiert wurde. Versuchen Sie, die Kegellänge und das Profil selbst anzupassen und sehen Sie, ob Sie bessere Ergebnisse erzielen; Sie können auch der unten verlinkten Anleitung folgen.

• Erfahren Sie mehr über Kegeldesigns für HF-PCBs

Andere SMA-Steckverbinder könnten besser funktionieren

Es gibt andere SMA-Steckverbinder, die möglicherweise nicht den gleichen Erdungsabstand unter dem Signalkontakt benötigen, wie wir es im Fall des oben gezeigten Randsteckverbinders haben. Diese anderen SMA-Steckverbinder, wie der unten gezeigte Amphenol 901-10511-1, verwenden einen viel kleineren Signalkontakt, und dieser Kontakt würde ein kleineres Landepad benötigen, um eine ausreichend große Lötfahne zu gewährleisten.

Da diese Komponente einen viel kleineren Signalkontakt in der Mitte des Steckverbinderkörpers verwendet, benötigt sie kein großes Landepad und es ist viel einfacher, den Kontakt mit einer dünnen Leiterbahn zu verbinden. Das bedeutet, dass es natürlich eine viel engere Übereinstimmung zwischen der Eingangsimpedanz des Pads, die in die PCB-Seite blickt, und der charakteristischen Impedanz der Übertragungsleitung geben wird. Aufgrund dieser engeren Übereinstimmung müssen Sie möglicherweise nur eine kleine Menge an koplanarem Grund entfernen. Es ist auch viel einfacher, die Übertragungsleitung genau auf das Pad zu dimensionieren, sodass keine zusätzlichen Anpassungslösungen benötigt werden.

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