射頻/微波PCB的信號注入設計與優化

將高頻能量從同軸連接器傳 遞到印刷電路板（PCB）的過程通常被稱為信號注入，它的特征難以描述。能量傳遞的效率會因電路結構不同而差異懸殊。PCB 材料及其厚度和工作頻率范圍等因素，以及連接器設計及其與電路材料的相互作用都會影響性能。通過對不同信號注入設置的了解，以及對一些射頻微波信號注入方 法的優化案例的回顧，性能可以得到提升。

實現有效的信號注入與設計相關，一般寬帶優化比窄帶更有挑戰性。通常高頻注入隨著頻率升高而更加困難，同時也可能隨電路材料的厚度增加，電路結構的復雜性增加而有更多問題。

信號注入設計與優化

從同軸電纜和連接器到微帶PCB 的信號注入如圖1 所示。穿過同軸電纜和連接器的電磁（EM）場分布呈圓柱形，而PCB 內的EM 場分布則是平面或矩形。從一種傳播介質進入另一種介質，場分布會改變以適應新環境，從而產生異常。改變取決于介質類型；例如，信號注入是從同軸電纜和連接 器到微帶、接地共面波導（GCPW），還是帶線。同軸電纜連接器的類型也起著重要作用。

圖1. 從同軸電纜和連接器到微帶的信號注入

優化涉及幾個變量。了解同軸電纜/ 連接器內EM 場分布很有用，但還必須將接地回路視為傳播介質的一部分。它對實現從一種傳播介質到另一種傳播介質的平穩阻抗轉變通常是有幫助的。了解阻抗不連續點處的容 抗和感抗讓我們能夠理解電路表現。如果能夠進行三維（3D）EM 仿真，就可以觀察到電流密度分布。此外，最好將與輻射損耗有關的實際情況也考慮其中。

雖然信號發射連接器和PCB 之間的接地回路可能看上去不成問題，從連接器到PCB的接地回路非常連續，但并不總是如此。連接器的金屬和PCB 之間通常存在著很小的表面電阻。連接不同部件的焊店和這些部件的金屬的電導率也有很小的差異。在RF 和微波頻率較低時，這些小差異的影響通常較小，但是頻率較高時對性能的影響很大。地回流路徑的實際長度會影響利用給定的連接器和PCB 組合能夠實現的傳輸質量。

如圖2a 所示，在電磁波能量從連接器引腳傳遞到微帶PCB 的信號導線時，回到連接器外殼的接地回路對于厚微帶傳輸線來說可能會太長。采用介電常數較高的PCB材料會增加接地回路的電長度，從而使問題惡化。通路延 長會引發具有頻率相關性的問題，進而產生局部的相速和電容差異。二者都與變換區內的阻抗相關，并且會對其產生影響，從而產生回波損耗差異。理想情況下，接 地回路的長度應最小化，使得信號注入區不存在阻抗異常。請注意，圖2a 所示之連接器的接地點只存在于電路底部，而這是最糟糕的情況。很多RF 連接器的接地引腳與信號在同一層。這種情況下，PCB 上也會設計接地焊盤在那里。

圖2b 展示了接地共面波導轉微帶信號注入電路，在這里，電路的主體是微帶，但信號注入區是接地共面波導（GCPW）。共面發射微帶很有用，因為它能夠將接地回路 最小化，并且還具有其它有用特性。如果使用信號導線兩邊均有接地引腳的連接器，那么接地引腳間距對性能有重大影響。已經證明該距離影響頻率響應。

圖2. 厚微帶傳輸線電路和較長的到連接器的地回流路徑（a）接地共面波導轉微帶的信號注入電路（b）。

在利用基于羅杰斯公司10mil 厚RO4350B 層壓板的共面波導轉微帶微帶進行實驗時，使用了共面波導口接地間距不同，但其他部分類似的連接器（見圖3）。連接器A 的接地間隔約為0.030"，而連接器B 的接地間隔為0.064"。這兩種情況下，連接器發射到同一電路上。

圖3. 利用具有不同接地間隔的類似端口的同軸連接器測試共面波導轉微帶電路。

x 軸表示頻率，每格5 GHz。微波頻率較低（< 5 GHz）時，性能相當，但頻率高于15 GHz 時，接地間隔較大的電路性能變差。連接器類似，雖然這2 種型號的引腳直徑稍有不同，連接器B 的引腳直徑較大并且設計用于較厚的PCB 材料。這也可能會導致性能差異。

　　簡單且有效的信號注入優化方法就是將信號發射區內的阻抗失配最小化。阻抗曲線上升基本上是由于電感增加，而 阻抗曲線下降則是因為電容增加。對于圖2a 所示之厚微帶傳輸線（假設PCB 材料的介電常數較低，約為3.6），導線較寬- 比連接器的內導體寬得多。由于電路導線和連接器導線的尺寸差異較大，所以轉變時會出現很強的容性突變。通?？梢酝ㄟ^將電路導線逐漸變細以便減小它與同軸連 接器引腳連接的地方形成的尺寸差距，來減小容性突變。將PCB導線變窄會增加它的感性（或者降低容性，從而抵消阻抗曲線內的容性突變。

　　必須考慮對不同頻率的影響。較長的漸變線會對低頻產更強的感性。例如，如果在低頻回損較差，同時有一個容性阻抗尖峰，此時使用較長的漸變線就比較合適。反之，較短的漸變線對高頻的作用就比較大。

　　對于共面結構，相鄰接地面靠近時會增加電容。通常，通過對漸變信號線和相鄰接地面間隔大小的調節，來在相應頻段調節信號注入區的感性容性。某些 情況下，共面 波導的相鄰接地焊盤在漸變線的一段上較寬，以調節較低的頻段。然后，間距在漸變線較寬的部分變窄，變窄的部分長度不長，以影響較高頻段。一般來說，導線漸 變線變窄會增加感性。漸變線的長度影響頻率響應。改變共面波導的鄰近接地焊盤能夠改變容性，焊盤間距之所以能夠改變頻響，其中對容性的改變起了主要作用。

　　實例

　　圖 4 提供了一個簡單實例。圖4a 是一根具有狹長漸變線的粗微帶傳輸線。漸變線在板邊處寬0.018（0.46 mm），長0.110（2.794 mm），最后變成了寬0.064（1.626 mm）的50 Ω 線寬。在圖4b 和4c 中，漸變線的長度變短。選用了現場可壓接終端連接器，未焊接，所以每種情況均使用同一內導體。微帶傳輸線長2（50.8 mm），加工在厚30mil（0.76 mm）的RO4350B ?微波電路層壓板上，介電常數為3.66。在圖4a 中，藍色曲線代表插入損耗（S21），波動很多。相反，圖4c 內S21 的波動數量最少。這些曲線表明，漸變線越短，性能越高。

　　圖4. 3 個具有不同漸變線的微帶電路的性能;具有狹長漸變線的原始設計（a）、減小漸變線的長度（b）和漸變線的長度進一步減?。╟）。

　　也許圖4中最能說明問題的曲線表明了電纜、連接器和電路的阻抗（綠色曲線）。圖4a 中大的正向波峰代表連接著同軸電纜的連接器端口1，曲線上的另一個峰代表電路另一端的連接器。阻抗曲線上的波動由于漸變線的縮短而減小。阻抗匹配的改善是 因為信號注入區的漸變線變寬，變窄;變寬的漸變線降低了感性。

　　我們能夠從一個優秀的信號注入設計2 中了解更多注入區域電路尺寸的信息，這個電路也使用同樣的板材和同樣的厚度。一個共面波導轉微帶電路，通過利用圖4 的經驗，產生了比圖4 更好的效果。最明顯的改善是消除了阻抗曲線中的感性峰，事實上，這是部分感性峰和容性谷造成的。使用正確的漸變線是感性峰降到最低，同時使用注入區的共面 接地焊盤耦合來增加感性。圖5 的插入損耗曲線比圖4c 平滑，回波損耗曲線也有所改善。對于采用介電常數較高或厚度不同的PCB 材料的微帶電路或者采用不同類型的連接器的微帶電路，圖4 所示實例的結果不同。

　　信號注入是一個很復雜的問題，受很多不同因素的影響。該實例和這些指導方針旨在幫助設計者了解基本原理。