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mmWave信号对PCB走线电缆和连接器的影响

发布时间:2021年07月09日    点击:[7]人次

mmWave信号:对PCB走线,电缆和连接器的影响

从5G电话到汽车系统和无人机,mmWave技术的使用在各种应用中都在增长。在毫米波频率下,信号完整性(SI)是一个主要问题。SI测量信号的传播能力,而不会失真或造成不必要的损失中国机械网okmao.com。它测量通过系统中印刷电路板(PCB)走线,电缆和连接器的信号的质量或失真。信号失真可能会破坏甚至破坏系统的可靠运行,并且会由于阻抗不匹配,反射,振铃,串扰,抖动,接地反弹等因素而发生。

SI优化采用不同的形式,具体取决于所使用的信号调制方案以及其他因素。例如,对于使用ASK,PSK,QAM,QPSK或使用相位或幅度突然变化来编码数字信息的任何其他信号调制方案的信号,控制振铃至关重要。对于足够平滑的FSK和其他频率调制方案,振铃的影响较小。振铃只是SI的一个方面。其他SI和PCB布局注意事项包括:

控制阻抗可确保信号线具有与信号线本身的阻抗相同的源极和接收器阻抗。

阻抗不连续性需要加以管理和最小化,并且可能发生在信号路径中的通孔,信号路径中的分支,线根,信号线与连接器引脚匹配以及信号线从源极开始和/或在引脚末端终止时发生。接收者。

可以通过走线长度匹配来最大程度地减少传播延迟。

串扰噪声可以通过以下方法来控制:增加相邻信号走线之间的间距,使用较低的介电常数衬底材料,使用具有紧密耦合的差分对的差分信号,并确保信号返回路径尽可能宽且均匀。

可以使用多种设计方法来解决电源和接地分配问题(包括接地反弹),包括将去耦电容器放置在尽可能靠近设备电源和接地引脚的位置,以及将电源和接地层靠近在一起并靠近PCB表面。以减少过孔电感。

控制阻抗是防止mmWave PCB中SI问题的最重要因素。互连的几何形状对于确定和控制阻抗很重要。迹线的几何形状是一个复杂的因素,除了适当的隔离之外,还包括介电吸收,集肤效应,粗糙度损失和散射带来的损失。

高频PCB通常依靠带有保护通孔的微带线或带状线传输线的几何形状来隔离不同的电路块并减少辐射。一种替代方法是使用接地共面波导(GCPW)布线,与其他两种布线方法相比,尤其是在表面层上,可以提供更低的损耗和更强的隔离性。

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对于GCPW,集肤效应仍然存在,但是GCPW周围的接地平面将电流吸引到波导的水平边缘,在该表面的表面粗糙度最低,从而减小了集肤效应。GCPW与微带线和带状线的使用取决于所用频率下基板的损耗角正切值。在毫米波频率下,FRP基板通常首选GCPW,而其他基板材料则使用微带和带状线。

衬底中的介电吸收只是损耗的一个因素。铜的粗糙度和集肤效应也是重要的考虑因素。在毫米波频率下,电流被限制在导体边缘附近,从而产生趋肤效应。蚀刻铜的粗糙表面也是直流损耗的来源。代替使用蚀刻,使用添加工艺在基板上创建迹线可以减少粗糙度并提高高频下的效率。

传统的减法PCB制造工艺会产生梯形横截面的迹线,其顶部比底部窄。梯形横截面角度可以与垂直方向成25至45度角,从而改变走线的阻抗并降低mmWave频率下的性能。除了减少表面粗糙度之外,使用附加的PCB制造工艺还可以使走线垂直放置,从而消除了梯形横截面对高频性能的限制。

射频和毫米波同轴电缆

基本同轴(同轴)电缆是具有中心导体和外部导体的两导体结构,该导体还起到屏蔽作用,在两者之间设有绝缘垫片。该结构提供了对电缆阻抗的严格控制,并提高了高频下的性能。同轴电缆有多种应用。同轴电缆的两种主要类型是50Ω(用于高速数据,RF,毫米波传输)和75Ω(主要用于视频信号和其他应用)。

高性能同轴电缆已开发用于嘈杂的环境。这些电缆可以包含10个或更多的元素(请参见下图):

中心导体–初级导体,通常由铜包钢制成。

中心导体键–聚合物涂层可阻止水分迁移。

电介质–低损耗,低密度聚乙烯泡沫。

第一个外部导体–铝聚合物铝的带状屏蔽。

第二外导体–铝聚合物铝带用于三屏蔽和四屏蔽电缆,以提供增强的高频(HF)屏蔽和隔离。

第三外部导体-也是铝聚合物铝带,可进一步增强屏蔽和机械完整性。

第四根外部导体–为了增强在极端RF噪声环境下的低频屏蔽隔离,添加了34或36 AWG铝编织线。

耐腐蚀保护涂层。

护套–紫外线稳定的外部涂层覆盖整个组件,以在安装过程中以及在电缆的使用寿命内保护芯线。

整体斜面(可选)–支撑部件由镀锌碳钢丝制成,以提供额外的机械强度。

mmWave连接器和电缆的折衷

如上所述,在美国,同轴电缆传输线和连接器的主要阻抗为50Ω,这代表了性能折衷:77.5Ω是最小衰减的理论阻抗,而30Ω是最大功率传输的理论阻抗。这两个阻抗的平均值为53.75Ω,四舍五入至50Ω,这在最小衰减和最大功率传输之间提供了一个很好的折衷方案。有其他阻抗的连接器可用,其次流行的阻抗是75Ω(用于最小衰减性能)。由于75Ω具有出色的衰减性能,因此在国际和长线通信系统中得到了相当广泛的使用。

同轴连接器和电缆的直径必须比信号波长小得多。否则,会发生称为“变型”的现象。调制是指驱动器经过Fcutoff时出现的有害波导模式(非横向电磁模式或TEM)(请参见下图)。修改的原因是为什么2.92mm射频连接器适用于40GHz,2.4mm连接器适用于50GHz,而1.85mm连接器适用于67GHz。修改设置了同轴电缆的物理尺寸限制。同轴电缆的主要损耗机制是中心导体的直径。但是,如果中心导体的直径较大,则外径也会增大,并且截止频率会下降。这就是电缆制造商生产泡沫电介质的原因:对于给定的中心导体直径“ d”,它减小了屏蔽直径“ D”。

mmWave连接器标准

有几种与mmWave连接器有关的IEEE标准,包括:

IEEE P287 –精密同轴连接器标准(DC-110 GHz) –该标准规定了用于110 GHz精密电测量的同轴连接器。该标准的频率范围从65 GHz增加到110 GHz,因为市场上存在一个1 mm连接器,额定最高最小工作频率为110 GHz。

IEEE P287.1 –射频,微波和毫米波频率下的精密同轴连接器标准。第1部分:一般要求,定义和详细规格-本标准规定了用于射频,微波和毫米波频率的精密电气测量的同轴连接器。

IEEE P287.2 –射频,微波和毫米波频率下的精密同轴连接器的推荐做法–第2部分:测试程序–该推荐做法规定了用于射频,微波,和毫米波频率。

IEEE 287-2007 –精密同轴连接器的IEEE标准(DC至110 GHz) –该标准提出了最低性能要求,以标准化两性连接器以及针式和插座式连接器。它包括针对通用和实验室精密连接器的推荐电气和机械测试程序。

概括

SI是mmWave PCB和互连系统设计的重要因素。它可以测量通过系统中PCB走线,电缆和连接器的质量,失真和信号。信号失真可能会破坏甚至破坏系统的可靠运行,并且会由于阻抗失配,反射,振铃,串扰,抖动,接地反弹等因素而发生。如图所示,设计人员必须使用多种工具来优化mmWave应用中的SI 。