某射频PCB的表面贴同轴连接器SMA信号质量优化过程

funeng3688

就是这个贴子的一楼检视意见，明确说一定要做3D电磁场仿真优化。
# R, M& f; W+ F0 ~/ x5 }
! {9 V( Y- b" c- U0 M3 I: }3 thttps://www.eda365.com/thread-196210-1-1.html


8 q1 v, u2 c5 }" E/ V

funeng3688

  l! d6 Q4 @! D4 U3 U6 o! [

/ g6 J6 n+ n7 @" c微带线截面1，标准50欧。
没有问题。
  E" I! x$ L3 T, n4 z$ A, U" |
5 Q& i6 t1 ~' v- Q
/ K9 x* S8 c1 S; F( |# c


$ Q; l. s& R  D# j6 z9 Q: K1 F, t4 R焊接区截面，平面电容面积很大，对比上面的微带线截面1，就能看出阻抗很低。
严重不匹配。
除此之外，这个区域还承担了地平面回流作用（从PCB地平面回流到SMA接地管脚）。
/ n! E( ]3 X( [" P# g: O4 z8 R如果接地过孔太远，回流面积很大，相当于串联电感。
" X; M* k$ U0 }3 N
) y( X1 b2 o& F% k3 M
7 T! C: |1 R" T# Q
  E9 \$ f# L7 i9 O$ h% G, x% Q
+ U* q% \6 O( T# W/ O. {

: ^" H( p# `. s! ?! S2 ]; s虽然阻抗可能高于50欧（根据经验），但由于过渡区很短，约0.5mm，与安装精度有关。
2 k. X$ W% T  }( j5 O基本不需要考虑阻抗不匹配问题。

* ^& Z2 z, g. Y( F: W9 h

3 \" w* L9 @* V3 `1 ~+ G


同轴本体截面，标准50欧。
$ T; j5 a4 F5 Z: D3 q

funeng3688

多层PCB建模之前要有厚度方向（Z轴）的尺寸位置规划。就是每一层铜皮的Z轴位置在哪？介质两个表面的精确Z坐标是多少？
; x+ o( d& X0 z5 [7 C如下所示：
! p6 d7 c; h0 A0 Y
这样就非常方便后续的3D建模过程。
模型中将三层地铜皮的厚度都设为零，是二维平面，用Profect E边界条件表示。
这种做法的好处是：二维平面永远不会跟3D结构有重叠冲突！后续建模过程少了很多布尔操作。
- O: Y0 Z: X0 a- w& c8 ]  s地平面的厚度为零，对仿真结果的影响很小。
* e! j5 y) s& p+ z% |5 V  m
9 P& O1 `' v6 H' [7 M- o但表面Top层铜皮厚度不能设置为零（图中设置为1.4mil），否则会影响阻抗，影响仿真精度。

funeng3688

PCB层叠结构如下图所示：
! H; [. n! `+ d7 K
Top面的芯板，铜皮厚度都是1.4mil。
不清楚Bottom面的芯板，铜皮为什么选择0.7mil。

& a5 }$ G- P  u

funeng3688

采用了这种板边焊接的SMA同轴连接器。SMA虽然有引脚，但PCB上没有接地孔，用于表面贴手工焊接。
1.6mm厚的PCB刚好能卡进去，焊好就很稳固。

0 ~3 R9 N  Y" D& w
4 x! s7 c9 O7 v# S! p: A, \  }但如果PCB设计不好，信号质量会差得很！
8 P7 b: ^9 ~- P原始RF PCB仿真一下试试看，先HFSS中建模。
0 y9 T  Z( o& D7 `8 a

funeng3688

SMA连接器的三个表面贴焊盘建好了：
" l/ i3 V% n  h- Z' ~
. Z* A2 q/ a5 ]7 W) }2 n
; w  u& ]* z/ @
8 w  K2 V) F2 l

funeng3688

增加了同轴SMA的芯导体、teflon绝缘子、外壳导体。
7 s& q( _, r& B2 j4 [
" r0 o1 z7 k/ a  A

funeng3688

Bottom面增加了一整块铜接地。
/ G/ C" U6 }/ N7 S6 A$ QTop面增加了两个SMA接地脚。
这个模型看起来，好象TOP面的三个焊盘都焊好了！

funeng3688

增加了微带线，线宽仅仅11.6mil，与SMA芯线焊好的那一大坨相比，实在是太弱小了！

* L# H/ R, Z4 l/ B2 ]1 h) \7 C再按照实际PCB的样子（参见1楼），增加8个接地过孔。


) X, i( `2 J6 q. K# }- K看前面的PCB模型有点大，切去一半。
' O. ]( o/ W# H; D2 e  b$ d$ _0 R
+ E+ z: i8 g: q, R5 N+ }

funeng3688

经过一些布尔操作；
6 ]3 ^1 q1 d& U8 C设置边界条件、端口、材料属性，3D模型建好了。
自检，一次通过。

funeng3688

% c* v! X7 @' f4 D
( [; y2 r5 }5 L设置好解算频点3GHz；
设置好扫频范围1-5GHz
5 w5 w' o  V  d原始模型仿真结果如下：
  u1 c2 n& b5 G2 c1 @; f

看起来有点象低通滤波器（或者带阻滤波器）啊！插入损耗太大了吧。
" ^+ V& y4 Z# R2GHz频段以下，信号还算是正常的。
超过2GHz，插入损耗就急剧增加，并且存在一个零点（3.2GHz）达到20dB，高频段插入损耗就在6dB那里晃悠。
9 K+ Z& K  ]) B* a
) u# b+ N$ Z. Q) Q4 s1 g$ {

RF_CE

版主又来直播了，围观

shelby

版主厉害，不过10楼好像漏图了

funeng3688

正如一楼所说，要在SMA信号焊盘底部地平面挖空：

看看中心焊盘下方投影区，地平面确实挖空了！
! k3 y. z+ V8 J- ~6 R那仿真结果如何呢？
- o+ }$ f$ Y" }

funeng3688

' n+ Z) r3 I: c7 k& J/ A8 @

插入损耗S21有了明显改善：
3.2GHz的插入损耗零点，从20dB填充到15dB了。
- S# B- _+ i: [4 M5 c而高频段插入损耗S21，则由6dB减小至2dB以下了。甚至接近1dB。
8 `7 k0 }. b' `7 g- O" a/ y- `

funeng3688

有限元海量数据算法，3GHz DDR4内存容量32G，
N核M线程4GHz主频酷睿CPU，正猛烈运算过程中，稍安勿燥。
! ^* N0 ?& v) ]* d+ {/ n