随着蜂窝和无线局域网标准开始向下一代性能要求过渡，如5G，对高速射频和微波测试设备和互连的需求将继续增加。高性能射频(RF)连接器应用范围广泛，从射频/测试测量印刷电路板(pcb)到半导体评估。即使大多数射频连接器表现出的性能远远超过传统制造的PCB，信道性能直接依赖于它们与板的相互作用。
一个特别具有挑战性的配置是边缘启动，其中这些连接器使用在PCB的边缘上，过渡到微带跟踪。这个过渡区通常包括互连，一个落在衬垫上的同轴结构，一个平面结构，然后继续形成一个跨板的共面波导。优化不佳的连接器占用会导致信号完整性性能下降，特别是在高数据速率下。
本文通过展示电磁场在过渡区域的行为来确定问题的根本原因。然后，它演示了如何通过匹配连接器信号引脚的大小来解决这些挑战，以板的顶部介电层的大小。我们解决了如何通过PCB修改，如边缘镀、铣削和蜂窝通孔，最小化地面不连续。通过利用全波三维场求解软件的模拟数据和来自我们自己的连接器和板的测量数据的展示，本文展示了设计变量之间的关键依赖关系，并确定了确保高速数据传输质量的必要步骤。这些结果举例说明了整体信道性能和互连和板的相互作用之间的直接关系。
边缘发射连接器应用示例
边缘发射连接器的典型应用包括由高性能电缆、射频互连和带有被测设备(DUT)的PCB组成的通道。从电缆到PCB的过渡是由射频连接器完成的，它必须提供必要的性能，以确保整个通道的信号完整性。一个理想的边缘发射连接器将提供平滑的阻抗剖面，减少反射，并具有健壮的机械连接。必须对连接器占用空间进行调优，以生成所需的性能。还需要密切关注制造过程，特别是焊接过程，以减少接地不连续和连接器和PCB之间的任何间隙。典型的边缘启动连接器配置如图1所示。
确定问题的根源
为了找出问题的根源，在计算机仿真技术(CST)中对如图1所示的系统模型进行了模拟，即本文中的所有模型。该模型包括两个放置在板的相对两侧的连接器，这也作为测试板，以表征该连接器的性能。连接器的机械表示具有标称尺寸，在连接器和板的边缘之间没有接地间断或间隙。图2显示了模型以及仿真结果。我们可以看到谐振出现在插入损耗曲线中。它们也与共振频率下反射的增加相匹配。在下一节中，我们将进一步详细介绍可能导致性能下降的几个因素。
场泄漏
为了识别谐振源，生成了连接器和PCB边缘之间过渡区域的三维电场分布。图3显示了板边缘的场分布。很明显，这个区域的电场在第一个内部地平面以下泄漏到下面的电介质层。磁场泄漏转化为插入损耗中的共振，更糟糕的是，能量耦合回板的另一边。这些影响综合起来会导致性能下降。
地面不连续性
当从模拟环境转移到制造环境时，设计工程师不能假定连接器或板的尺寸是标称的。这需要进一步分析地面和信号的不连续，以确定任何问题。为了识别性能下降的来源，一个射频连接器然后模拟不同的地面不连续。在这种配置中，有一个滑动接地，共有六个接触点由弹簧压紧，以确保在接口处的牢固接地连接。下面的图4显示了一个例子，其中一个互连有许多可能的接地不连续点。
系统地去除这六个接触点，并将模拟结果与实测数据进行比较。测量数据中的共振与模拟结果非常接近，其中去除了50%或更多的接触点。正如预期的那样，谐振频率与地面结构间隙的大小成正比。间隙越大，共振在频谱中的位置越低。结果如图5所示。
为了研究边缘发射配置中地面不连续性的影响，我们转向图6所示的模型。我们通过使机械尺寸偏离公称尺寸来纳入制造公差。通过模拟检查了四种主要的地面和信号不连续:
- PCB共平面接地结构与连接器接地之间的连接:如图7所示。
- 从PCB内部接地平面到连接器接地的连接:如图8所示。
- 连接器信号/内引脚到它所落的PCB板的连接:如图9所示。
- 连接器和PCB边缘之间的间隙:如图10所示。
我们从PCB共平面接地结构和连接器接地之间的连接开始。在这种情况下，共平面的地面从板的边缘向后推了5mil (0.127mm)，导致了过渡区阻抗的峰值。这种阻抗峰值与任何显著的共振无关，而且由于内部接地面是地面结构的主要影响，所以性能没有显著下降。图7将结果与基线模型进行了比较。
接下来，在PCB的内部接地面和PCB的边缘之间引入一个5mil的间隙。这就在PCB内部接地平面和连接器接地之间的接地结构中产生了一个间隙。这种间隙有两个影响:阻抗峰值和25GHz左右的共振。这也导致了在相同的谐振频率下，回波损失的峰值和在高频率下反射的普遍增加。结果如图8所示。
另一个例子展示了在PCB边缘的信号轨迹上创建一个5mil间隙的模拟结果，这导致了过渡区阻抗的峰值。这是预期的信号引脚从被绝缘体(介电，Dk > 1)包围到空气(Dk =1)。这可以通过将信号垫一直带到PCB的边缘来缓解，在该区域增加一些电容。结果如图9所示。
为了防止这些不连续，PCB的边缘必须尽可能均匀，可以铣削和研磨向下放置铜尽可能接近边缘。这些结果也有一些有趣的含义，在内部接地面和板边缘的间隙可以通过共面接地相对于连接器接地的位置来缓解。如果共面接地足够接近信号引脚和连接器接地，它将足够耦合，以防止任何进一步的性能退化。回头看图8，性能退化受到共平面地面结构存在的限制。
在边缘发射配置中，地面不连续性的影响的另一个例子可以在图11所示的测量数据中看到。该边缘发射连接器没有经过正确的焊接过程，因为没有使用焊锡模板。在被测样品中，由于地面的不连续性导致了共振和跨频谱反射的增加，性能大幅下降。
匹配PCB介质层和连接器信号引脚的尺寸
边缘发射连接器需要连接器接地和PCB内部接地之间的正确对齐，以防止场泄漏，这会导致谐振和降低性能。为了进一步研究该区域的电磁场行为，将研究三种情况:
- 案例一表明，内部接地平面位于绝缘体下面，防止场泄漏，尽管PCB介质层非常大，与连接器相比也会降低性能。
- 情形二表示在第一个模型中模拟的情况(图2)，其中内部接地平面位于连接器接地之上，允许场通过下面的电介质层泄漏。
- 案例三显示了一个完美对齐的连接器接地到内部PCB接地。这是理想的情况，因为它防止了磁场泄漏。
图12举例说明了这三种情况。
边电镀(PCB)
尽管在连接器接地和PCB内部接地平面之间有一个适当的对齐很重要，但这样的解决方案并不总是可能的。具有大截面积的连接器可能需要非常厚的顶部电介质层，以将内部PCB接地面放置在理想的位置。电路板的面积是宝贵的，客户不能总是负担得起将一大块电路板奉献给射频连接器。
当地面结构没有正确对齐时，边缘镀是一种有效的提高性能的方法。通过在PCB的边缘镀上镀层，下面的电介质层就不会发生场泄漏。此外，从连接器到PCB的过渡处的接地不连续被最小化或消除。与边缘电镀和蜂窝通孔相关的制造过程与通孔非常相似。
为了评估边缘电镀的影响，我们在第一个模型(图2)，以确认是否减少和防止了现场泄漏。边缘镀层有效地防止了电场泄漏到下面的介电层，并增加了插入和返回损耗之间的频谱间隔。图13将这些新结果与没有边缘电镀的原始结果进行了比较。
最后，结合我们在图7和图8中看到的情况，通过在共平面接地和PCB边缘的内部接地平面上添加一个5mil的间隙来评估地面结构中的一个大的不连续面。地面结构中增加的间隙通过增加反射和共振显著地降低了性能。图10展示了结果。
为了继续检查边缘电镀的价值，一个测试板被制造成两种变体:有和没有边缘电镀。一个具有大绝缘体的连接器，因此横截面积，然后焊接到PCB的对面。在这种情况下，边缘镀的PCB在连接器降落的地方留下了一个暴露的柱，这将减少但不能消除场泄漏。对连接器/PCB组件进行了测量，并对数据进行了比较，以便进一步分析。图14显示了本实验中使用的板。
使用Keysight PNA网络分析仪N5227A 10MHz-67GHz和1.85mm标准校准套件(85058B)对板进行测量。所有8个通道的插入和返回损失如图15所示。开云体育官网登录平台网址正如预期的那样，没有镀边的PCB在高频下有明显的衰减和共振。插入损耗中的共振位置与返回损耗中的峰值相匹配，这将减少信道裕度。这与前面部分中给出的模拟相关，其中地面结构的不对中导致性能下降。
此外，还对近端和远端串扰(NEXT和FEXT)进行了测量和比较。图16显示了这些结果。在镀边和非镀边的pcb之间有显著的性能差异。没有边缘电镀的PCB由于连接器接地结构和PCB接平面之间的接地不连续增加而显示出明显更高的串扰。地面的不连续和内部接地面(相对于连接器地面)的不对中导致场泄漏和能量辐射，转化为串扰。
在这篇论文中，我们通过展示电磁场在过渡区域的行为，确定了PCB结构中出现边缘发射共振的根本原因。解决这些挑战的两种不同的方法被展示出来:将连接器信号引脚的大小与板上的顶部电介质层的大小匹配，并通过PCB的修改减少地面不连续，如边缘镀、铣削和castellated通孔。通过模拟和测量数据的展示和相关性，从我们自己的连接器和板，设计变量之间的关键依赖关系被强调出来。同时，提出了一种保证高速数据传输质量的设计方法。这些结果举例说明了整体信道性能和互连和板的相互作用之间的直接关系。
本文最初发表于EDI CON USA 2018，是优秀论文奖的决赛选手。
