揭秘边缘启动连接器
随着蜂窝和WLAN标准开始向下一代性能要求(如5G)过渡，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)连接器用于从射频/测试测量印刷电路板(pcb)到半导体评估的一系列应用中。即使大多数RF连接器的性能远远超过传统制造的PCB，通道性能也直接取决于它们与电路板的相互作用。
一个特别具有挑战性的配置是边缘发射，其中这些连接器用于PCB的边缘，并过渡到微带走线。这个过渡区通常包括互连，一个在发射台上的同轴结构，一个平面结构，然后继续成为一个共面波导。优化不良的连接器占用空间会导致信号完整性性能的下降，特别是在高数据速率下。
本文通过展示电磁场在过渡区的表现来确定问题的根本原因。然后演示如何通过将连接器信号引脚的尺寸与电路板中顶部介电层的尺寸相匹配来解决这些挑战。我们解决了如何通过PCB修改(如镀边、铣削和槽形过孔)将地面不连续性降至最低。通过使用全波三维现场求解软件的模拟数据和我们自己的连接器和电路板的测量数据，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所需的步骤。这些结果举例说明了整体通道性能与互连和板的相互作用之间的直接关系。
边缘启动连接器应用程序的例子
边缘发射连接器的典型应用包括由高性能电缆、RF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RF连接器完成的，RF连接器必须提供必要的性能，以确保整个通道的信号完整性。理想的边缘发射连接器将提供平滑的阻抗曲线，最大限度地减少反射，并具有坚固的机械连接。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，以尽量减少接地不连续和连接器与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。
识别问题的根源
为了找出问题的根源，在Computer Simulation Technology (CST)中对如图1所示的系统模型进行了仿真，与本文的所有模型一样。该模型由放置在板的两侧的两个连接器组成，该板也用作测试板，以表征该连接器的性能。连接器的机械表示具有标称尺寸，在连接器和电路板边缘之间没有接地不连续或间隙。图2显示了该模型以及仿真结果。我们可以看到谐振出现在插入损耗曲线中。它们也与共振频率反射的增加相匹配。在下一节中，将进一步详细介绍可能导致性能下降的几个因素。
场泄漏
为了确定谐振源，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显示了电路板边缘的场分布。很明显，该区域的电场在第一内接平面以下泄漏到下面的介电层。场泄漏转化为插入损耗中的共振，更糟糕的是，能量在电路板的另一边耦合回去。这些影响的结合会导致性能下降。
地面不连续性
当从模拟环境转移到制造环境时，设计工程师不能假设连接器或电路板尺寸是标称的。这需要进一步分析地面和信号不连续，以确定任何问题。为了确定性能下降的来源，然后对具有不同接地不连续的RF连接器进行了模拟。在这种配置中，有一个滑动地，共有六个接触点由弹簧压紧，以确保在接口处牢固的接地连接。下面的图4显示了一个例子，其中互连有许多可能的接地不连续。
系统地去除这6个接触点，并将模拟结果与实测数据进行比较。测量数据中存在的共振与模拟结果密切匹配，其中50%或更多的接触点被删除。正如预期的那样，谐振频率与地面结构中间隙的大小成正比。间隙越大，共振在频谱上越低。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标称尺寸来纳入制造公差。通过模拟检查了四个主要的接地和信号不连续点:
- PCB共面接地结构与连接器接地之间的连接:如图7所示。
- 从内部PCB接地平面到连接器接地的连接:如图8所示。
- 连接器信号/内引脚与PCB板的连接，如图9所示。
- 连接器与PCB边缘之间的间隙:如图10所示。
我们从PCB共面接地结构与连接器接地之间的连接开始。在这种情况下，共面接地被推回5毫米(0.127毫米)从板的边缘，导致在过渡区阻抗尖峰。这个阻抗尖峰与任何显著的共振无关，并且由于内部地平面是地面结构中的主要影响，因此性能没有显著降低。图7将结果与基线模型进行了比较。
接下来，在内部PCB接地平面和PCB边缘之间引入了5密耳的间隙。这会在内部PCB接地平面和连接器接地之间的接地结构中产生间隙。这个间隙有两个影响:阻抗的尖峰和25GHz左右的共振。这也会导致相同谐振频率下回波损耗的尖峰，以及高频反射的普遍增加。结果如图8所示。
另一种情况显示了在PCB边缘的信号走线处产生5英里间隙的仿真结果，这导致过渡区阻抗的峰值。当信号引脚从被绝缘体(电介质，Dk > 1)包围转变为空气(Dk =1)时，这是预期的。这可以通过将信号垫一直带到PCB的边缘，在该区域添加一些电容来缓解。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，并且可以铣削和研磨，使铜尽可能靠近边缘。这些结果也有一些有趣的含义，在内部接地平面和电路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减轻。如果共面接地足够接近信号引脚和连接器接地，它将耦合到足以防止任何进一步的性能下降。回顾图8，性能下降受到共面接地结构的限制。
在边缘发射配置中，地面不连续性影响的另一个例子可以在图11所示的测量数据中看到。这个边缘发射连接器没有经过正确的焊接过程，因为没有使用焊接模板。在测量样品中，由于地面不连续性导致共振和频谱反射增加，性能大大降低。
匹配PCB介电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内部PCB接地之间的适当对齐，以防止将引起共振和降低性能的场泄漏。为了进一步研究该区域的电磁场行为，将研究三种情况:
- 案例一显示内部接地平面位于绝缘体下方，防止场泄漏，尽管PCB介电层与连接器相比非常大，也会降低性能。
- 案例二表示第一个模型所模拟的情况(图2)，其中内部接地平面在连接器接地之上，允许电场泄漏到下面的介电层。
- 案例三显示了一个完全对齐的连接器接地到内部PCB接地。这是理想的情况，因为它可以防止场泄漏。
图12举例说明了这三种情况。
镀边(PCB)
尽管连接器接地和内部PCB接地平面之间的适当对齐很重要，但这种解决方案并不总是可行的。具有大截面积的连接器可能需要非常厚的顶部介电层来将内部PCB接地面放置在理想位置。电路板空间是宝贵的，客户不能总是负担得起将电路板的大部分用于RF连接器。
在地面结构排列不当的情况下，镀边是一种改善性能的有效方法。通过在PCB板的边缘进行电镀，不会对下面的介电层产生场漏。此外，从连接器到PCB过渡的接地不连续被最小化或消除。与边缘电镀和槽形过孔相关的制造过程与过孔非常相似。
为了评估边缘电镀的影响，我们在第一个模型中加入了这个PCB修改(图2)，以确认是否减少和防止了磁场泄漏。边缘镀层有效地防止了电场泄漏到下面的介电层，并增加了整个频谱上插入损耗和回波损耗之间的裕度。图13将这些新结果与没有镀边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，通过在共面接地和PCB边缘的内部接地面上添加5英里的间隙来评估地面结构中的大不连续。地面结构中增加的间隙通过增加反射和共振显著降低了性能。图10展示了结果。
为了继续检验边缘电镀的价值，我们制造了两种不同的测试板:带和不带边缘电镀。一个具有大绝缘体的连接器，因此横截面积被焊接到PCB的相对两侧。在这种情况下，边缘镀PCB在连接器着陆的地方留下一列暴露，这将减少但不能消除场泄漏。测量了连接器/PCB组件，并对数据进行了比较以进行进一步分析。图14显示了本实验中使用的电路板。
使用Keysight PNA网络分析仪N5227A 10MHz-67GHz和1.85mm标准校准套件(85058B)对电路板进行测量。所有8个通道的插入损耗和返回损耗如图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在高频下有更多的衰减和共振。谐振在插入损耗中的位置与在回波损耗中看到的尖峰相匹配，这将减少通道裕度。这与前面章节中提出的模拟有关，其中地面结构的不对准会导致性能下降。
此外，对近端和远端串扰(NEXT & ext)进行了测量和比较。图16显示了这些结果。边缘镀和非边缘镀的pcb在性能上有很大的不同。没有镀边的PCB显示出明显更高的串扰，因为连接器接地结构和PCB接地面之间的接地不连续性增加。接地不连续和内部接地平面(相对于连接器接地)的错位会导致场漏和能量辐射，从而转化为串扰。
在本文中，我们通过展示电磁场在过渡区域的表现，确定了PCB结构中存在边缘发射共振的根本原因。展示了解决这些挑战的两种不同方法:将连接器信号引脚的尺寸与电路板中顶部介电层的尺寸相匹配，并通过PCB修改(如镀边、铣削和槽形过孔)最大限度地减少接地不连续。通过展示和关联来自我们自己的连接器和电路板的模拟和测量数据，突出了设计变量之间的关键依赖关系。此外，还概述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通道性能与互连和板的相互作用之间的直接关系。
本文最初在EDI CON USA 2018上发表，并获得了杰出论文奖的决赛。
