SMAエッジコネクタのRF PCBでの遷移

私の最近のパワーアンプモジュールプロジェクトでは、基本的なコンポーネントを使用したパワーモジュール内で、さまざまなコンポーネントを配置し配線する方法の高レベルビューを示しました。このモジュールでは、SMAエッジコネクタを使用して電力を取り込み、生成されたRF信号を6.3 GHzで取り出していました。しかし、SMAコネクタのフットプリントの1つに、SMAフットプリントのはんだパッドの1つの下のグラウンドクリアランスを含めることを忘れていました。

この例のプロジェクトの基礎となったシステムにはグラウンドクリアランスが含まれていたので、少し恥ずかしいです。RF設計の一部では、インピーダンスマッチングの一環として、特定のコンポーネントの下に正しいグラウンドクリアランスを含めることが重要です。これは、インピーダンスマッチングネットワークの周りのグラウンドクリアランスを増やすのと同じような方法です。

この記事では、SMAエッジコネクタの下に大きなグラウンドクリアランスが必要になる理由と、PCB内で追加のクリアランスが必要になる場合を評価します。また、コネクタの信号ピンの下のグラウンドクリアランスの影響を示すシミュレーション結果もいくつか示します。

大きなSMAコネクタ着地パッドで起こり得ること

SMAエッジコネクタのフットプリント上のランディングパッドが非常に大きい場合、インピーダンスの不一致の可能性が生じます。Taoglas EMPCB.SMAFSTJ.B.HTのようなSMAエッジコネクタを見ると、コネクタの背面にあるピンがかなり大きいことがわかります。これにより、コネクタをPCBの端にはんだ付けできるように、より広く長いランディングパッドが必要になります。

下の例を見てください。ここでは、入力50オームのフィードラインが電源モジュールプロジェクトのSMAエッジコネクタに接続されています。パッドを単なる短い伝送線として見た場合、その特性インピーダンスは約14オームであることがわかります。

パッドは短いですが、これだけでSMAエッジコネクタに入力する目標の50オームのインピーダンスに顕著な逸脱を生じさせるのに十分です。これが過剰な反射を生じるかどうかは、S11プロットを見ることで評価できます。

この問題に対処する際、インピーダンスマッチングをより密接に確保するための3つの可能なオプションがあります：

1. パッドの下のグラウンドを一部取り除くことで、入力インピーダンスの偏差を最小限にする
2. 伝送線とパッドの間にテーパーを配置する
3. 上記の#1と#2の両方

まず、着地パッドの周囲のグラウンドを一部取り除くことで、パッドを見たときの入力インピーダンスを50オームに近づけることができます。

代替デザイン

両方の技術を実装した代替デザインが以下に示されています。2つの変更が適用されました：L2とL3のパッドの下にグラウンドカットアウトを配置し、グラウンドカットアウトに加えてテーパーを追加する（オプション#3）

L2とL3でグラウンドがクリアされるとどうなるか？L4とL1にはまだグラウンドがあるので、L4がパッドの下部参照になります。これは基本的に、代替のコプレーナーウェーブガイド構成を意味します。私たちは単に、L1でのパッドからプアへの間隔を調整して、目標のインピーダンス50オームを達成する必要があります。

レイヤースタックマネージャーのインピーダンス結果からわかるように、コプレーナーグラウンドクリアランスを6ミルから10ミルに増やすだけで、私たちの50ミル幅のパッドに対して50オームの目標が達成されます。

次のセクションでは、グラウンドクリアランスがない場合、クリアランスのみの場合（オプション＃1）、および上記に示されたクリアランス+テーパー配置（オプション＃3）でのこのインターコネクトのS11カーブを見てみたいと思います。

S11結果

下の画像は、3つの配置（クリアランス/テーパーなし、クリアランス適用、クリアランス+テーパー）のシミュレートされたS11カーブを示しています。これらのカーブはSimbeorで個別にシミュレートされ、その後Excelにコンパイルされました。破線は、目標動作周波数6.3 GHzを示しています。コネクタ本体はシミュレーションの一部ではなかったことに注意してください。より正確なシミュレーションには、コネクタ本体を含め、それを用いて3Dフィールドソルバーシミュレーションを実行するか、またはこのシステムの線形ネットワークの一部としてコネクタ本体を含めることが必要です。

上記の結果から、テーパーがないGNDクリアランス配置が目標周波数で最も良い性能を示すことがわかりますが、テーパーを持つ設計もまだ受け入れられます。テーパーを持つ設計は、この簡単な例では厳格なテーパーデザインプロセスが実装されていなかったため、改善することができます。テーパーの長さとプロファイルを自分で調整してみて、より良い結果が得られるかどうかを確認してください。また、以下のリンクされたガイドに従っても構いません。

• RF PCBのためのテーパーデザインについてもっと学ぶ

他のSMAコネクターの方が良い結果をもたらすかもしれません

上で示したエッジコネクタの場合のように、信号ピンの下に同じ種類のグラウンドクリアランスを必要としない他のSMAコネクターもあります。以下に示すAmphenol 901-10511-1のような他のSMAコネクターは、はるかに小さい信号ピンを使用しており、このピンは十分なはんだフィレットを確保するためにより小さいランディングパッドを必要とします。

このコンポーネントはコネクター本体の中央にはるかに小さい信号ピンを使用しているため、大きなランディングパッドを必要とせず、ピンを細いトレースに合わせるのがはるかに簡単です。これは、パッドの入力インピーダンスがPCB側を見ているときと、伝送線の特性インピーダンスとの間に自然にはるかに近い一致があることを意味します。このような近い一致のため、共面グラウンドを少し取り除くだけで済むかもしれません。また、伝送線をパッドに正確にサイズ合わせするのもはるかに簡単なので、追加のマッチングソリューションは必要ありません。

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