Transizioni del connettore a bordo SMA in un PCB RF

Nel mio recente progetto di modulo amplificatore di potenza, ho mostrato la visione ad alto livello di come posizionare e tracciare vari componenti in un modulo di potenza che utilizzava alcuni componenti di base. Nel modulo, sono stati utilizzati connettori a bordo SMA per portare alimentazione e trasmettere il segnale RF generato a 6,3 GHz. Ma c'era una cosa che ho dimenticato di includere in uno dei miei footprint del connettore SMA: lo spazio libero sotto uno dei pad di saldatura nel footprint SMA.

Sono un po' imbarazzato perché il sistema che costituiva la base di questo progetto di esempio includeva il ground clearance. In alcuni progetti RF, è importante includere il corretto ground clearance sotto determinati componenti come parte dell'adattamento di impedenza, nello stesso modo in cui si potrebbe aumentare il ground clearance attorno a una rete di adattamento di impedenza.

In questo articolo, mostrerò perché può sorgere la necessità di uno spazio libero maggiore sotto un connettore a bordo SMA, oltre a valutare la necessità di ulteriore spazio libero nel PCB. Mostrerò anche alcuni risultati di simulazione che illustrano gli effetti dello spazio libero sotto il pin di segnale del connettore.

Cosa può succedere sui grandi pad di atterraggio del connettore SMA

Quando il pad di atterraggio su un footprint di un connettore a bordo SMA è molto grande, può creare un potenziale per uno sbilanciamento dell'impedenza. Quando si osserva un connettore a bordo SMA come il Taoglas EMPCB.SMAFSTJ.B.HT, è facile notare che il pin sul lato posteriore del connettore è piuttosto grande. Questo richiede un pad di atterraggio più largo e lungo affinché il connettore possa essere saldato sul bordo del PCB.

Dai un'occhiata all'esempio qui sotto, dove una linea di alimentazione da 50 Ohm è connessa a un connettore a bordo SMA nel progetto del modulo di alimentazione. Se si considera il pad come se fosse solo una breve linea di trasmissione, si troverebbe che la sua impedenza caratteristica è di circa 14 Ohm.

Sebbene il pad sia corto, questo è sufficiente a creare una deviazione significativa nell'impedenza di ingresso target di 50 Ohm guardando nel connettore a bordo SMA. È opportuno chiedersi se ciò creerà riflessioni eccessive, che possono essere valutate osservando un grafico S11.

Quando si affronta questo problema, abbiamo tre opzioni possibili per garantire un abbinamento dell'impedenza più vicino:

1. Rimuovere parte del piano di massa sotto il pad in modo che la deviazione dell'impedenza di ingresso sia minima
2. Posizionare un cono tra la linea di trasmissione e il pad
3. Entrambi i punti #1 e #2

Rimuovendo prima parte del piano di massa intorno al pad di atterraggio, è possibile aumentare l'impedenza di ingresso guardando nel pad in modo che sia molto più vicina a 50 Ohm.

Design Alternativo

Un design alternativo che implementa entrambe le tecniche è mostrato di seguito. Sono state applicate due modifiche: posizionare un taglio del piano di massa sotto il pad su L2 e L3, e aggiungere un cono in aggiunta al taglio del piano di massa (Opzione #3)

Cosa succede quando il piano di massa viene rimosso su L2 e L3? Avremo ancora il piano di massa su L4 e L1, quindi L4 sarà il riferimento inferiore per il pad. Questo significa sostanzialmente che abbiamo una configurazione alternativa di guida d'onda coplanare; dobbiamo solo regolare la spaziatura pad-verso-piano su L1 per raggiungere l'impedenza target di 50 Ohm.

Come possiamo vedere dai risultati dell'Impedenza nel Layer Stack Manager, scopriamo che il target di 50 Ohm è raggiunto per il nostro pad largo 50 mil semplicemente aumentando la distanza di clearance del piano di massa coplanare da 6 mil a 10 mil.

Nella prossima sezione, vogliamo esaminare la curva S11 per questo interconnessione senza distanza di sicurezza dal terreno, con la sola distanza di sicurezza (Opzione #1) e con la disposizione distanza di sicurezza + conicità mostrata sopra (Opzione #3).

Risultati S11

L'immagine qui sotto mostra le curve S11 simulate per tre disposizioni (nessuna distanza/conicità, distanza applicata, e distanza + conicità). Queste curve sono state simulate individualmente in Simbeor e poi compilate in Excel. La linea tratteggiata mostra la frequenza operativa target di 6,3 GHz. Da notare che il corpo del connettore non faceva parte della simulazione; una simulazione molto più accurata richiederebbe l'inclusione del corpo del connettore e l'esecuzione di una simulazione del campo 3D con esso, o l'inclusione del corpo del connettore come parte della rete lineare per questo sistema.

I risultati sopra mostrano che la disposizione di distanza di sicurezza GND senza conicità offre le migliori prestazioni alla frequenza target, sebbene il design con la conicità sarebbe comunque accettabile. Il design con la conicità può essere migliorato poiché un rigoroso processo di progettazione della conicità non è stato implementato in questo semplice esempio. Prova ad aggiustare la lunghezza e il profilo della conicità per conto tuo e vedi se ottieni risultati migliori; puoi anche seguire la guida collegata qui sotto.

• Scopri di più sui design a conicità per PCB RF

Altri Connettori SMA Potrebbero Funzionare Meglio

Ci sono altri connettori SMA che potrebbero non richiedere lo stesso tipo di spazio libero per la messa a terra sotto il pin del segnale come nel caso del connettore a bordo mostrato sopra. Questi altri connettori SMA, come l'Amphenol 901-10511-1 mostrato sotto, utilizzano un pin del segnale molto più piccolo, e questo pin richiederebbe un pad di atterraggio più piccolo per garantire un filletto di saldatura sufficientemente grande.

Poiché questo componente utilizza un pin del segnale molto più piccolo al centro del corpo del connettore, non richiede un grande pad di atterraggio ed è molto più facile abbinare il pin a una traccia sottile. Questo significa che ci sarà naturalmente una corrispondenza molto più stretta tra l'impedenza di ingresso del pad guardando verso il lato del PCB e l'impedenza caratteristica della linea di trasmissione. A causa di questa corrispondenza più stretta, potrebbe essere necessario rimuovere solo una piccola quantità di terra coplanare. È anche molto più facile dimensionare esattamente la linea di trasmissione al pad, quindi non sono necessarie soluzioni di adattamento aggiuntive.

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