Введение
При сравнении результатов измерений с результатами симуляции переход от коаксиального кабеля измерительного оборудования к сигнальной трассе тестируемого устройства часто считают идеальным. Однако применяемый SMA-коннектор (коннектор субминиатюрный тип-А, см. рис. 1) служит не только для соединения кабеля измерительного оборудования с печатной платой, он также конвертирует сигнал коаксиального кабеля в сигнал микрополосковой линии тестируемого устройства. Поэтому на практике указанное допущение часто приводит к расхождению данных симуляции с данными измерений на высоких частотах.
Указанное допущение характерно для случая симуляции, когда порты ввода/выхода размещаются на трассе, к примеру, на микрополосковой или копланарной линии (см. рис. 2), при этом наличие коаксиально-полоскового перехода игнорируется.
Cуществует несколько методов оценки качества согласования перехода. В данной статье описан метод, в котором производится электромагнитный анализ 3D-модели коннектора методом конечных элементов. Данный подход позволяет учесть паразитные эффекты и перейти от идеального перехода к реалистичной модели, учитывающей наличие коннектора.
Описание проекта
В составе 3D-модели, приведённой на рисунке в начале статьи, содержится печатная плата с сигнальными трассами. Коннектор, предназначенный для торцевого крепления на печатную плату толщиной 0,5 мм, является параметризированной подсистемой. В 3D-модели входной порт размещается со стороны подключения коаксиального кабеля. Выходной порт волнового типа размещается в конце отрезка микрополосковой линии. Отсчётная плоскость выходного порта располагается сразу после коннектора (отмечена на рисунке 2).
Качество перехода без оптимизации
Из частотной зависимости модуля S11 (см. рис. 3) видно, что переход изначально характеризуется приемлемым уровнем согласования в диапазоне ниже 2 ГГц.
На частоте 10 ГГц значение модуля коэффициента отражения от входа составляет –10 дБ. Оптимизация перехода может привести к уменьшению потерь на отражение, учитывая при этом рассогласование как значимый фактор, влияющий на соответствие результатов симуляции и измерений.
Стратегия оптимизации
Модель перехода можно оптимизировать в редакторе схем, используя имеющуюся электромагнитную модель (ЭМ-документ) как обычную подсистему. Легко определить, что цепь согласования на основе последовательной индуктивности и параллельной ёмкости может оптимизировать характеристики перехода на частоте 10 ГГц. Последовательная индуктивность может быть представлена отрезком микрополосковой линии с высоким волновым сопротивлением, в то время как параллельная ёмкость – отрезком микрополосковой линии с низким волновым сопротивлением. Далее проводится оптимизация геометрических размеров отрезков микрополосковых линий, как это показано на рисунке 4.
Последним этапом является перенос размеров микрополосковых линий в 3D-модель и запуск симуляции для подтверждения результатов, как показано на рисунках 5 и 6.
Из графиков можно видеть, что использование согласующей цепи оказалось эффективным: модуль коэффициента отражения на частоте 10 ГГц составляет менее –20 дБ.
Также разработчикам будет полезно посмотреть на визуализацию и анимацию движения поверхностных токов в переходе на частоте 10 ГГц, как это показано на рисунке 7.
В заключение можно сказать, что простая цепь согласования обеспечивает переход от коаксиального кабеля в микрополосковую линию с модулем коэффициента отражения менее –20 дБ на рабочей частоте 10 ГГц, ширина полосы согласования составляет примерно 2 ГГц. Она легко и надёжно оптимизируется при помощи стандартных моделей элементов, а также электромагнитной модели коннектора. В результате получается 3D-модель с оптимизированной топологией, верификация которой проведена посредством электромагнитного анализа.
Разнообразные модели переходов от разных коннекторов к разным подложкам печатных плат могут быть сохранены в библиотеке и использованы в дальнейшем при разработке схем. Интегрированный инструмент полного 3D-электромагнитного анализа позволяет хранить все данные в одной программе – NI AWR Design Environment (AWRDE), включая коннекторы, корпуса элементов и устройств или любые другие 3D-модели объектов. Это исключает неправильное использование моделей, например, применение коннектора для торцевого крепления на плату вместо вертикального коннектора. Графическое представление используемого компонента сразу же характеризует его тип. Данный подход является более удобным, нежели использование простых файлов S-параметров, импортированных в AWRDE и не обладающих графическим представлением геометрии модели. Единая среда также упрощает процесс документирования, управления версиями и повторного использования проекта.
Если вам понравился материал, кликните значок — вы поможете нам узнать, каким статьям и новостям следует отдавать предпочтение. Если вы хотите обсудить материал —не стесняйтесь оставлять свои комментарии : возможно, они будут полезны другим нашим читателям!
