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。

https://www.eda365.com/thread-196210-1-1.html

funeng3688

% d" O0 Y" g: p* \" Q
; Z! ^& x$ W( |8 @
微带线截面1，标准50欧。
没有问题。


/ t& c5 p1 v) p5 u. ~
0 v: |6 n& ^5 i* ^
( _$ l+ @, x, L4 b0 j
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。
# f, C1 m; Q) T严重不匹配。
4 ]3 H7 n* b' T, ^- c3 n* @% Z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）。
- w( m2 \8 ^! ~# v& l如果接地过孔太远，回流面积很大，相当于串联电感。
0 _. W* v% M! O7 m; @
2 v+ @  \3 U* `7 i' O



4 Z; T) S6 _; S: P/ m8 o
* o8 b  h8 s- _8 x, J/ q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。
3 u  p% L, M, ]# q/ e$ |基本不需要考虑阻抗不匹配问题。
$ U2 r3 i5 K8 N$ x/ T" _2 F
4 ]+ f3 n- \, t! l
- S2 @4 z" L" J5 C4 W
( R4 i& g- K+ l3 w2 }% y% r6 c9 R
7 U+ g' D% I9 e+ a, ]6 Z# G' _3 l
( Y& Y. Z7 P9 j( V: V; ?2 ]) y
同轴本体截面，标准50欧。
1 f. R: L' ^" Z8 `

funeng3688

% X5 c+ Q6 f' f9 u3 [5 r# X, g
5 z+ z7 ^2 f5 e7 N3 H/ F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？
如下所示：

! W+ |" k( _  `- x3 @* J- G* Y8 M1 B这样就非常方便后续的3D建模过程。
! k; f" `6 R2 n! l6 A0 Z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。
地平面的厚度为零，对仿真结果的影响很小。
. R9 [( i: \  c, a
; T: P3 L4 {$ y% ~1 B* M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。
3 Z# u3 L& g" h8 d

funeng3688

PCB层叠结构如下图所示：

Top面的芯板，铜皮厚度都是1.4mil。
- n- o, G& V4 A; D; u不清楚Bottom面的芯板，铜皮为什么选择0.7mil。

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。
3 s- p' ], _/ s$ l1.6mm厚的PCB刚好能卡进去，焊好就很稳固。
" n' y4 Q& l, P& J9 v! Z

但如果PCB设计不好，信号质量会差得很！
4 H6 L5 V2 m3 b7 E: M6 Z+ L8 m3 L1 m原始RF PCB仿真一下试试看，先HFSS中建模。

funeng3688

SMA连接器的三个表面贴焊盘建好了：

; v+ l( f% G& K; b  e5 D, n

funeng3688

- j# w+ H9 w$ z# e增加了同轴SMA的芯导体、teflon绝缘子、外壳导体。

funeng3688

Bottom面增加了一整块铜接地。
Top面增加了两个SMA接地脚。
* Y' ^) D: r3 A! V: i' U( D这个模型看起来，好象TOP面的三个焊盘都焊好了！
7 @$ T1 W6 v2 V! @

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！

再按照实际PCB的样子（参见1楼），增加8个接地过孔。
, @% C5 n- r  y3 n+ p2 T8 w
3 `- D1 U5 m% A  `* o6 }' z0 z
. [8 F' A* n6 e3 C0 d8 }看前面的PCB模型有点大，切去一半。
4 F4 W. @, ^( }+ S: p. x" ~
3 V6 ^) d7 m* k* C+ l0 H, C% A  ?

funeng3688

经过一些布尔操作；
# N) _* {7 h  [0 t5 p设置边界条件、端口、材料属性，3D模型建好了。
3 J8 h; a; _+ Q; A7 {  c* n2 r自检，一次通过。

, l% {/ h9 z! j* D) p

funeng3688

设置好解算频点3GHz；
设置好扫频范围1-5GHz
$ r# y8 ~, O* w9 ]原始模型仿真结果如下：
2 T: k2 Z4 j# B& h! j

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。
+ Z3 j9 [" ]; X& }2GHz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。

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！
那仿真结果如何呢？

funeng3688

5 V9 n- ]3 O  d3 c



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。
9 S( a7 c) X4 X& C6 \4 g' Z4 \而高频段插入损耗S21，则由6dB减小至2dB以下了。甚至接近1dB。

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。