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。

* C7 p* v, n2 I; x' V' Zhttps://www.eda365.com/thread-196210-1-1.html
& ~+ J" b- ]+ e! S! H$ a
! _2 j4 h* ?  ]* {6 E) e
+ H+ O8 ~) Z$ n7 v) }& X) V

funeng3688

0 L4 N* B9 }! s$ y) S# n
/ O/ P( `2 J) Y+ \$ C' g& ]
微带线截面1，标准50欧。
没有问题。
. w. v0 |. H. A* |; ]7 c0 @0 _

1 d) R3 \1 N+ H5 O9 H0 ]3 R
6 Z; S+ K0 D) `

6 A9 h, X4 X6 R/ r, U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。
1 d/ ]  O0 R% q% H8 ^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）。
3 b- f- A, Z; S: {- x6 t% M如果接地过孔太远，回流面积很大，相当于串联电感。


3 x, a' F# G% H, `



) Z, G$ t* o* Q& f# l: I+ C* N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。
基本不需要考虑阻抗不匹配问题。




: Q3 l3 }6 w! K5 [0 N
  G" E7 G6 O- r0 x( q4 N& O
同轴本体截面，标准50欧。
# ^8 J  l8 G3 }! l& _% X

funeng3688

( Z1 e5 M4 l7 [
) ]; Q  d# F4 I# s0 v( ~5 j8 P, k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？
+ b$ z5 b; V0 _% o* T: r4 L如下所示：
& t; C& F$ F9 ?7 |& F& l- |
$ l& f, V9 h! j这样就非常方便后续的3D建模过程。
7 x# E7 Q6 u) R. R: o7 j) m" F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。
; e. z! y4 }. b' s; X3 r) i1 O# e4 j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。
) |* K) x6 \* C( T4 F! I$ y7 Y- G地平面的厚度为零，对仿真结果的影响很小。
. H5 T8 R# S7 Q, e0 T! n: r
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

; l9 u3 L& M/ H$ Q2 f; a( hPCB层叠结构如下图所示：

Top面的芯板，铜皮厚度都是1.4mil。
  g$ e; _% G- A. a- r$ g" o  E7 h) K3 z不清楚Bottom面的芯板，铜皮为什么选择0.7mil。
* j4 B; F1 ?0 J) u; F; [

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。


7 Q) |1 C$ ^6 J3 f但如果PCB设计不好，信号质量会差得很！
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：

funeng3688

9 @, ~* U! z/ M  l; U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。
7 B9 l( K  ~7 P! W% gTop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！
6 R+ X" U" r) b! m
% O: n. u3 {, f6 ~4 u7 ?3 l$ j

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。


看前面的PCB模型有点大，切去一半。

6 ~# V0 x4 D. z  J

funeng3688

经过一些布尔操作；
设置边界条件、端口、材料属性，3D模型建好了。
自检，一次通过。
: n$ _, @1 S5 t/ `

' l$ ^6 ?* i; y5 f0 ]4 J  f+ L, I

funeng3688

5 I. l2 t% X, ^7 s9 B1 i; l% F
设置好解算频点3GHz；
. v+ {& \6 p$ k5 I4 A4 c6 g设置好扫频范围1-5GHz
* i# ?% x+ h& I原始模型仿真结果如下：
$ Z0 C  L% G- D& D
/ q# T) n% S' j: j* Q, r
* z& S( f  y0 ?# t- z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。
2 M+ R; [9 X" R, A" {2GHz频段以下，信号还算是正常的。
! p/ ]/ |" T0 O8 T1 D# A: y; T# u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。
1 I- V/ _# {; r, R9 A' f
% a# h+ i" b2 h+ I$ w

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：
- e3 j7 C) g+ O5 j1 Y
. r) w) c( w& _( f/ j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？
( ^) }2 q5 i# h* j0 o4 w

funeng3688

- S" c) a6 t! b- X  O


插入损耗S21有了明显改善：
* L. Y) G& O# t) l% r3.2GHz的插入损耗零点，从20dB填充到15dB了。
9 z0 |" E; {2 J, E$ o. ?而高频段插入损耗S21，则由6dB减小至2dB以下了。甚至接近1dB。
+ u+ g2 ]1 ^& z4 z* p  o0 G

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。
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