Transições de Conector de Borda SMA em uma PCB RF

Em meu recente projeto de módulo amplificador de potência, demonstrei a visão de alto nível de como posicionar e rotear diversos componentes em um módulo de potência que utilizava alguns componentes básicos. No módulo, conectores de borda SMA foram usados para trazer energia e transmitir o sinal RF gerado a 6,3 GHz. Mas houve uma coisa que esqueci de incluir em uma das minhas impressões de conector SMA: a folga de terra abaixo de um dos pads de solda na impressão do SMA.

Sinto-me um pouco envergonhado porque o sistema que formou a base deste projeto de exemplo incluía a folga de terra. Em alguns designs de RF, é importante incluir a folga de terra correta abaixo de certos componentes como parte do casamento de impedância, da mesma forma que você poderia aumentar a folga de terra ao redor de uma rede de casamento de impedância.

Neste artigo, mostrarei por que a necessidade de uma maior folga de terra abaixo de um conector de borda SMA pode surgir, bem como avaliar a necessidade de folga adicional na PCB. Também mostrarei alguns resultados de simulação que ilustram os efeitos da folga de terra abaixo do pino de sinal do conector.

O Que Pode Acontecer em Grandes Pads de Aterrissagem de Conector SMA

Quando a almofada de aterragem em uma pegada de conector de borda SMA é muito grande, pode criar um potencial para um desajuste de impedância. Quando você olha para um conector de borda SMA como o Taoglas EMPCB.SMAFSTJ.B.HT, é fácil perceber que o pino no lado de trás do conector é bastante grande. Isso requer uma almofada de aterragem mais larga e mais longa para que o conector possa ser soldado na borda do PCB.

Veja o exemplo abaixo, onde uma linha de alimentação de 50 Ohms é conectada a um conector de borda SMA no projeto do módulo de potência. Se você olhar para a almofada como se fosse apenas uma curta linha de transmissão, você encontraria que sua impedância característica é de cerca de 14 Ohms.

Embora a almofada seja curta, isso é suficiente para criar um desvio significativo na impedância de entrada de 50 Ohms alvo, olhando para o conector de borda SMA. É apropriado perguntar se isso criará reflexos excessivos, o que pode ser avaliado olhando para um gráfico S11.

Ao lidar com esse problema, temos três opções possíveis para garantir uma correspondência de impedância mais próxima:

1. Remova um pouco do terra abaixo do pad para que o desvio da impedância de entrada seja mínimo
2. Coloque um afunilamento entre a linha de transmissão e o pad
3. Ambos #1 e #2

Ao primeiro remover um pouco do terra ao redor do pad de aterrissagem, é possível aumentar a impedância de entrada olhando para o pad para que ela fique muito mais próxima de 50 Ohms.

Design Alternativo

Um design alternativo que implementa ambas as técnicas é mostrado abaixo. Duas mudanças foram aplicadas: colocando um recorte de terra abaixo do pad em L2 e L3, e adicionando um afunilamento além do recorte de terra (Opção #3)

O que acontece quando o terra é removido em L2 e L3? Ainda teremos terra em L4 e L1, então L4 será a referência inferior para o pad. Isso basicamente significa que temos uma configuração alternativa de guia de onda coplanar; só precisamos ajustar o espaçamento do pad para o preenchimento em L1 para atingir a impedância alvo de 50 Ohms.

Como podemos ver pelos resultados de Impedância no Gerenciador de Pilha de Camadas, descobrimos que o alvo de 50 Ohms é atingido para nosso pad de 50 mil de largura simplesmente aumentando a folga de terra coplanar de 6 mil para 10 mil.

Na próxima seção, queremos analisar a curva S11 para esta interconexão sem folga de aterramento, com a folga apenas (Opção #1) e com a disposição de folga + afunilamento mostrada acima (Opção #3).

Resultados S11

A imagem abaixo mostra curvas S11 simuladas para três arranjos (sem folga/afunilamento, com folga aplicada e com folga + afunilamento). Essas curvas foram simuladas individualmente no Simbeor e depois compiladas no Excel. A linha tracejada mostra a frequência operacional alvo de 6,3 GHz. Note que o corpo do conector não fez parte da simulação; uma simulação muito mais precisa exigiria incluir o corpo do conector e realizar uma simulação de solver de campo 3D com ele, ou incluir o corpo do conector como parte da rede linear para este sistema.

Os resultados acima mostram que o arranjo de folga GND sem afunilamento oferece o melhor desempenho na frequência alvo, embora o design com afunilamento ainda seja aceitável. O design com afunilamento pode ser melhorado, pois um processo rigoroso de design de afunilamento não foi implementado neste exemplo simples. Tente ajustar o comprimento e o perfil do afunilamento por conta própria e veja se obtém melhores resultados; você também pode seguir o guia vinculado abaixo.

• Saiba mais sobre designs de afunilamento para PCBs RF

Outros Conectores SMA Podem Funcionar Melhor

Existem outros conectores SMA que podem não exigir o mesmo tipo de folga de terra abaixo do pino de sinal como temos no caso do conector de borda mostrado acima. Esses outros conectores SMA, como o Amphenol 901-10511-1 mostrado abaixo, usam um pino de sinal muito menor, e esse pino exigiria uma almofada de aterrissagem menor para garantir uma filé de solda grande o suficiente.

Como este componente usa um pino de sinal muito menor no centro do corpo do conector, ele não requer uma grande almofada de aterrissagem e é muito mais fácil combinar o pino com um traço fino. Isso significa que haverá naturalmente uma correspondência muito mais próxima entre a impedância de entrada da almofada olhando para o lado do PCB e a impedância característica da linha de transmissão. Devido a essa correspondência mais próxima, você pode precisar remover apenas uma pequena quantidade de terra coplanar. Também é muito mais fácil dimensionar exatamente a linha de transmissão para a almofada, então não são necessárias soluções adicionais de correspondência.

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