Типы ВЧ разъёмов и способы согласования КПП

                                                                                                 I.      Вступление

Сейчас активно используется технология печатных плат. Усилители на основе вакуумных ламп заменяются твердотельными усилителями на кристаллах (которые требуют подложку и иногда дополнительные цепи согласования). Печатные антенны на основе патчей или печатных диполей просты в изготовлении. Различные другие изделия для систем и лабораторного использования также часто изготавливаются по печатной технологии. Таким образом инженер-разработчик часто использует печатные платы.

Большинство СВЧ устройств имеют выходы в виде коаксиальных соединителей. Часто разработчики уделяют внимание всем узлам схемы, но игнорируют коаксиально-полосковый переход. В этой работе показана важность согласования перехода «соединитель-печатная линия передачи», показаны типы соединителей и предложен метод согласования КПП. (Автор этой статьи Leka_engineer, ищите меня на Хабре и в Инстаграме)

                                                                                                     II.    Задача

A.    Типы печатных линий передачи

Существует не так много различных печатных линий передачи. Наиболее распространённые (рис.1) – микрополосковая и копланарная [1].

Копланарные линии передачи, или заземлённый копланар, имеют земляные полигоны в непосредственной близости от полоска, а также боковые стенки, обычно реализуемые с помощью металлизированных отверстий.

B.    Типы коаксиальных соединителей

Есть множество различных коаксиальных соединителей [3]. Каждый соединитель может быть мысленно разделён на 2 составляющие: интерфейс и переход. Интерфейс стандартен, он определяет соединение двух разъёмов одного типа. Характеристика рабочей полосы частот, указанная в листе данных, определяется интерфейсом. Часть перехода определяет механическое соединение между разъёмом и печатной платой. Переход всегда различен, таким образом, он является объектом электродинамической оптимизации. Коаксиальная линия передачи и печатная полосковая линия передачи имеют различные распределения полей Е и Н. Именно электродинамически-оптимизированный переход определяет максимальную рабочую частоту, которая всегда меньше частоты интерфейса.

Исследование, описанное в данной работе сделано на основе стандартов SMA/3,5-мм/2,92-мм. Эти типы механически совместимы и могут подвергаться сравнению.

Основные типы реализации механической части перехода представлены ниже:

·        Панельные разъёмы (рис.2) устанавливаются в отверстия в стенке. Центральный штырь ложится на полосок и припаивается к нему (рис.3).

 

Такие разъёмы ещё называют фланцевыми или блочными.

Однако к блочным относятся ещё и разъёмы без фланца, которые вкручиваются в стенку корпуса (например многим известный 751-й) . Это чаще всего герметичные коннекторы, которые необходимо опаивать. Недостаток сложности изготовления посадочного места компенсируется относительно широкой полосой рабочих частот (в зависимости от типа подложки печатной платы и типа диэлектрика разъёма, можно получить приёмлемый уровень КСВ на частотах до 18 ГГц без особых усилий)

·        Краевые разъёмы припаиваются к полоску и земляному полигону с обратной стороны печатной платы (рис.4).

·        Вертикальные разъёмы, предназначенные для монтажа в отверстия на плате, а также для поверхностного монтажа представлены на рисунках 5 и 6.

 

·        Составные разъёмы из фланца и гермоввода монтируются в стенку корпуса (рис.7).

Существуют прекрасные разъёмы типов 3,5 и 2,92 российской фирмы Микран. Из плюсов такой конструкции — широкая полоса частот, герметичность. Из минусов — сложность изготовления посадочного места, цена и большой срок поставки.

Обращаю ваше внимание и советую к прочтению application note от Микрана, где описан метод измерения (см. стр. 48) .На рисунке ниже спойлер:

C.   Рабочая полоса частот

В даташите производители указывают максимальную рабочую частоту интерфейса.

На рисунках 9-13 показаны примеры коаксиально-полосковых переходов с разъёмами типов SMA и 2,92-мм, а также представлены частные зависимости КСВ. Все представленные ниже графики получены автором данной статьи.

 

Серия KHDC — не обычные краевые разъёмы, внутри коаксиала есть ступенька, благодаря которой, рабочая полоса частот расширяется до 10-15 ГГц в зависимости от типа ЛП и подложки.

По совокупности моих исследований автора (а также моих коллег), можно сделать вывод о том, что обычные краевые разъёмы приемлемо работают до 4 ГГц. Существуют исключения, о которых необходимо упомянуть:

·        Вертикальный соединитель 3,5-мм фирмы Rosenberger с подпружиненным центральным контактом (рис. 14) и его аналоги.

·        Не требующий пайки краевой разъём фирмы Southwest Microwave (рис.15). На рисунке 16 показан график частотной зависимости КСВ на такой же плате, как на рисунке 10.

 

 

Тут следует сказать, что отличие между Super SMA и 2,92 в этих сериях только во фланце, основное тело разъёма одинаковое. Ниже представлены еще примеры этих разъёмов на разных платах.

Часто аналогом такого разъёма считают коннекторы Rosenberger 32K243-40ML5, однако это неправильно. Центральную жилу (пин) необходимо паять, а перфоманс таких разъёмов оставляет желать лучшего, ведь они дают совершенно непредсказуемый результат в зависимости от того, как ты их прикрутишь.

Ещё один кандидат — розетка CON2A-29F от отечественного предприятия Таир. Из статьи К.Б. Джуринского для «Компоненты и Технологии» . Корпус такого разъёма предлагается оставлять на плате, а одну розетку можно вкручивать и выкручивать, таким образовм используя одну для нескольких плат. Но, центральную жилу тоже необходимо припаивать.

Больше интересных и необычных конструкций разъёмов в моей следующей статье. Уже начала оформлять для вас подборку, которую копила годами.

Рабочая полоса частот панельных разъёмов с гермовводом определяется структурой и точностью изготовления монтажного отверстия, которое соответствует гермовводу. Также на максимальную частоту влияет тип и толщина подложки.

Максимальная рабочая частота перехода с панельными разъёмами ограничивается 4 ГГц и может быть увеличена до 18 ГГц при использовании ступенчатой структуры отверстия в стенке корпуса и сужения на микрополосковой линии. (Автор этой статьи Leka_engineer, ищите меня на Хабре и в Инстаграме)

                                                                                           III.  Согласование

Коаксиальные и полосковые линии передачи имеют различные распределение полей и конструкцию. Качественный переход требует особого внимания. Далее представлены некоторые общие рекомендации, однако, следует помнить, что каждая пара «соединитель-полосок» имеют свою оптимальную конструкцию.

При проектировании устройства первый этап согласования может сделан в виде модели в электродинамическом пакете. Иногда требуется второй этап в случае, если из-за неидеальности соединителя характеристики сильно отличаются от модели. В таком случае инженер добавляет в модель разъёма детали, либо добавляет некие элементы согласования на образце.

В данной работе часто используется термин «рабочая частота». Авторы считают, что допустимый уровень КСВ в рабочей полосе частот составляет 1,5 на пару соединителей. Существует несколько способов проверки качества перехода:

·        График зависимости коэффициента S₁₁ от частоты показывает возвратные потери. Это представление достаточно примерное.

·        Диаграмма Вольперта-Смита [1] является теоретически наиболее обоснованной, однако является понятной для восприятия только на 1 частотной точке.

·        Частотная зависимость КСВ показывает работу всей структуры, но не показывает место расположения объекта, вносящего рассогласование

·        Анализ во временной области наилучшей представление результатов для настройки и оптимизации перехода, так как показывает волновое сопротивление в каждой точке по длине.

Согласно теории распространения волн можно предсказать, что диаметр центрального штыря разъёма должен коррелировать с шириной полоска на печатной плате. Не рекомендуется использовать стандартный штырь диаметром 1,3 мм с узкими полосками (менее ≈1 мм). С другой стороны, тонкий штырь необходимо согласовать с широким полоском с помощью сужения (рис.21).

Пример: мною было проведено электродинамическое моделирование и найдена оптимальная топология сужения (для казалось бы невыполнимого перехода) для краевого разъёма на толстой плате с низким эпсилон (рис. 22).

При использовании краевых разъёмов как на рисунке 15 должно быть добавлено сужение в топологию, так как такие разъёмы имеют диаметр штыря 0,127-0,5 мм.

В рекомендациях по применению [5] даны рекомендации по топологии сужения, а также приведены сравнения характеристик с разными типами сужения.

На рисунке 23 показано, что временную ось на экране измерительного прибора можно соотнести с координатой Х вдоль платы с разъёмами. А отражения возникают в месте, где пин ложится на плату. Это можно понять по скачку волнового сопротивления.

По подсказке инженеров SW я провела измерения во временной области для разных плат на разъемах Southwest Microwave 1092-03A-6 . Ниже показаны некоторые примеры результатов. На рисунках 24-27 показаны сравнительные характеристики во временной области линий с без сужения и со слишком сильным сужением. Видно, что на уровне сужения волновое сопротивление равно примерно 60 Ом, то есть обужено слишком сильно.

   

 

 

 

Таким образом анализ во временной области как при моделировании, так и при измерении параметров тестовых плат может существенно облегчить поиск оптимальной топологии для наилучшего согласования коаксиально-полоскового перехода.  

                                                             

Благодарность

Автор благодарит сотрудников Санкт-Петербургского офиса компании Rohde and Schwarz за помощь в проведении измерений во временной области.

П.С. ещё о согласовании можно почитать тут.

Спасибо, что дочитали!

Список источников:

[1]     David M. Pozar Microwave engineering, 4^th ed, John Wiley&Sons Inc, USA,2012. 736p.

[2]     Coonrod, J. “Microwave PCB structure considerations: microstrip vs. grounded coplanar waveguide”, International Microwave Symposium, 2015.

[3]     Джуринский К.Б. Миниатюрные коаксиальные радиокомпоненты для микроэлектроники СВЧ, М. Техносфера, 2006.216с.

[4]     ANSYS, Workshop 3-1: Coax-microstrip transition introduction to ANSYS HFSS.2015. unpublished.

[5]     Southwest Microwave “The design & test of broadband launches up to 50 GHz on thin and thick substrates”, Application Note,Available at: www.southwestmicrowave.com , 2011

(Автор этой статьи leka_engineer , ищите меня на Хабре и в Инстаграме)