Transiciones de conector de borde SMA en un PCB de RF

En mi reciente proyecto de módulo de amplificador de potencia, mostré la visión de alto nivel de cómo colocar y enrutar varios componentes en un módulo de potencia que utilizaba algunos componentes básicos. En el módulo, se utilizaron conectores de borde SMA para introducir la potencia y sacar la señal RF generada a 6.3 GHz. Pero hubo una cosa que olvidé incluir en uno de mis footprints de conector SMA: el espacio libre de tierra debajo de uno de los pads de soldadura en el footprint de SMA.

Me siento un poco avergonzado porque el sistema que sirvió de base para este proyecto de ejemplo sí incluía el ground clearance. En algunos diseños de RF, es importante incluir el ground clearance correcto debajo de ciertos componentes como parte del ajuste de impedancia, de la misma manera que podrías aumentar el ground clearance alrededor de una red de adaptación de impedancia.

En este artículo, mostraré por qué puede surgir la necesidad de un mayor espacio libre de tierra debajo de un conector de borde SMA, así como evaluar la necesidad de espacio adicional en el PCB. También mostraré algunos resultados de simulación que ilustran los efectos del espacio libre de tierra debajo del pin de señal del conector.

Qué puede suceder en pads de aterrizaje grandes de conector SMA

Cuando la almohadilla de aterrizaje en una huella de conector de borde SMA es muy grande, puede crear un potencial para un desajuste de impedancia. Al observar un conector de borde SMA como el Taoglas EMPCB.SMAFSTJ.B.HT, es fácil notar que el pin en el lado posterior del conector es bastante grande. Esto requiere una almohadilla de aterrizaje más ancha y más larga para que el conector pueda ser soldado al borde del PCB.

Echa un vistazo al ejemplo a continuación, donde una línea de alimentación de 50 Ohmios está conectada a un conector de borde SMA en el proyecto del módulo de potencia. Si observas la almohadilla como si fuera simplemente una línea de transmisión corta, encontrarías que su impedancia característica es de aproximadamente 14 Ohmios.

Aunque la almohadilla es corta, esto es suficiente para crear una desviación significativa en la impedancia de entrada de 50 Ohmios objetivo, mirando hacia el conector de borde SMA. Es apropiado preguntarse si esto creará reflexiones excesivas, lo cual puede evaluarse mirando un gráfico S11.

Al tratar con este problema, tenemos tres opciones posibles para asegurar una mejor coincidencia de impedancia:

1. Eliminar algo de tierra debajo del pad para que la desviación de la impedancia de entrada sea mínima
2. Colocar un cono entre la línea de transmisión y el pad
3. Ambas #1 y #2

Al eliminar primero algo del suelo alrededor del pad de aterrizaje, es posible aumentar la impedancia de entrada mirando hacia el pad para que esté mucho más cerca de 50 Ohmios.

Diseño Alternativo

Un diseño alternativo que implementa ambas técnicas se muestra a continuación. Se aplicaron dos cambios: colocar un recorte de tierra debajo del pad en L2 y L3, y agregar un cono además del recorte de tierra (Opción #3)

¿Qué sucede cuando se despeja el suelo en L2 y L3? Todavía tendremos tierra en L4 y L1, por lo que L4 será la referencia inferior para el pad. Esto básicamente significa que tenemos una configuración alternativa de guía de ondas coplanar; solo necesitamos ajustar el espaciado del pad al vertido en L1 para alcanzar la impedancia objetivo de 50 Ohmios.

Como podemos ver en los resultados de Impedancia en el Administrador de Capas de Pila, encontramos que el objetivo de 50 Ohmios se alcanza para nuestro pad de 50 mil de ancho simplemente aumentando la separación de tierra coplanar de 6 mil a 10 mil.

En la siguiente sección, queremos observar la curva S11 para esta interconexión sin separación del suelo, con la separación solamente (Opción #1), y con la separación + disposición de cono mostrada arriba (Opción #3).

Resultados S11

La imagen a continuación muestra curvas S11 simuladas para tres disposiciones (sin separación/cono, con separación aplicada, y con separación + cono). Estas curvas fueron simuladas individualmente en Simbeor y luego compiladas en Excel. La línea discontinua muestra la frecuencia operativa objetivo de 6.3 GHz. Note que el cuerpo del conector no fue parte de la simulación; una simulación mucho más precisa requeriría incluir el cuerpo del conector y realizar una simulación de solucionador de campo 3D con él, o incluir el cuerpo del conector como parte de la red lineal para este sistema.

Los resultados anteriores muestran que la disposición de separación de GND sin cono ofrece el mejor rendimiento en la frecuencia objetivo, aunque el diseño con el cono todavía sería aceptable. El diseño con el cono puede ser mejorado ya que un proceso de diseño de cono riguroso no se implementó en este ejemplo simple. Intente ajustar la longitud y el perfil del cono por usted mismo y vea si obtiene mejores resultados; también puede seguir la guía vinculada a continuación.

• Aprenda más sobre diseños de cono para PCBs de RF

Otros Conectores SMA Podrían Funcionar Mejor

Existen otros conectores SMA que pueden no requerir el mismo tipo de espacio libre bajo el pin de señal como el que tenemos en el caso del conector de borde mostrado arriba. Estos otros conectores SMA, como el Amphenol 901-10511-1 mostrado a continuación, utilizan un pin de señal mucho más pequeño, y este pin requeriría una almohadilla de aterrizaje más pequeña para asegurar un filete de soldadura lo suficientemente grande.

Debido a que este componente utiliza un pin de señal mucho más pequeño en el centro del cuerpo del conector, no requiere una almohadilla de aterrizaje grande y es mucho más fácil hacer coincidir el pin con una pista delgada. Esto significa que naturalmente habrá una coincidencia mucho más cercana entre la impedancia de entrada de la almohadilla mirando hacia el lado del PCB y la impedancia característica de la línea de transmisión. Debido a esta coincidencia más cercana, solo puede ser necesario eliminar una pequeña cantidad de tierra coplanar. También es mucho más fácil dimensionar la línea de transmisión exactamente a la almohadilla, por lo que no se necesitan soluciones de adaptación adicionales.

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