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产品特写
 
应用于高速PCB板的70GHz多同轴连接方案
材料来源:《微波杂志》2020年3/4月号           录入时间:2020/4/29 14:35:12

Multicoax Board-Mounted Connector Performs to 70 GHz

HUBER+SUHNER AG,www.hubersuhner.com

随着毫米波技术的不断突破,通信市场应用也一直在扩展,数据传输速率已趋近100Gbps水平。为应对变化的市场需求,HUBER+SUHNER研发出一款可应用于电路板的多同轴连接器,它能大大减小信号从电缆组件端传输到PCB端引起的反射。在电气连接性能上,MXPM70连接器可实现频率到70GHz的信号传输(亦有90GHz可选),并配置单排/双排的同轴电缆,每排8根电缆,相邻两根的中心距为2.54mm。独特的磁锁机械设计,可保持电缆与底座之间的精密连接及重复性,确保信号的一致性和完整性。镀金黄铜底座及铝制连接器外壳使整体方案同时兼顾最优、最严格的性能及最经济的设计成本。

连接器到板的传输设计

PCB连接器的性能通常很难定义,因为受不同结构的PCB板或板上内部走线的影响,体现出来的电气性能也会不同;只有了解了连接器的接口设计是如何产生对应影响的,才能选出最佳的板连接器。因此也就只有在封装及板层结构相同时,讨论插入损耗、回波损耗及串扰这些指标才有意义;当用户的应用场景与设计一致,则能获得对应良好的性能;否则,就需要重新认真地再去设计和优化。任何介质材料、介质板厚度以及金属层厚度的变化都会对用户板实际性能产生明显影响。信号从同轴电缆的TEM模式转换成板上平面波模式,是整个设计最敏感的部分,很容易产生新的反射,伴随插入损耗的增大,尤其体现在工作频段的高频部分(图1)。

1从同轴电缆的TEM模式转换为PCB板上的平面波模式,若设计不当,则会引入不必要的反射

为了优化MXPM70特定的应用性能,HUBER+SUHNER可以帮助客户进行PCB连接部分的电磁仿真、优化用户PCB板上的连接器封装。首先选择板传输形式:通常如微带线、带状线或共面波导,以及板层结构,如介质板材料、厚度、层数,金属层设计、厚度等。设计封装初始结构,分析界面接口的性能,优化叠层性能。为了便于说明,我们选用表1所示的叠层结构设计优化一组共面波导,其结果如图2所示。

2MXPM70可实现高频同轴微带转换

为了最小化寄生电容的产生,在L1层焊盘下方,第二层板内引入接地避让孔,这样焊盘尺寸也不会减小。焊盘的最小尺寸由连接器的中心针及定位公差决定,以保证电气性能的稳定性及结构可靠性。虽然避让孔引入会造成低频端损耗略有增加,但能明显改善高频端的性能,且能减小连接器间的串扰。注意:引入避让时需整体评估,避免激励其他模式的信号。减小寄生电容的第二个选择是增加信号传输线与其接地孔的距离。

为提高阻抗匹配及信号到共面波导传输线的效率,在L1中加入了一段补偿线。PCB走线通常设计成46-48Ω阻抗值,用以最小化及补偿PCB板在加工刻蚀时生产的工艺误差。刻蚀误差会减小传输线的宽度、增加阻抗,此时则会跟50Ω的连接器不匹配。补偿线的加入则提供了一段过渡阻抗,降低了插入损耗,使得容性上的影响最小化。

电磁建模结果表明80GHz时|S11|优于−15dB (图3)。仿真传输时的时域响应阻抗值大约为49.5-52.5 Ω (图4)。为显示优化后的性能,同时描绘了优化前后的|S11|、时域响应曲线以作对比。

3MXPM70PCB|S11|参数仿真

4MXPM70PCB板时域响应仿真

总结

虽然在研发初期,可以用通用的PCB板封装安装和使用连接器,传输射频信号和数据,但要实现最高级别的频率、信号传输,必须根据特定的PCB结构进行优化。虽然封装设计看似简单,但若对信号转换不仔细分析和优化,会对测试结果产生很大影响,使得原本昂贵的整体系统性能大打折扣。

通过结合PCB板设计,HUBER+SUHNER的MXPM70多同轴连接器十分适用于射频及高速数据传输应用,可提供至少到70GHz的低反射同轴-板传输,接近无损耗电传输转换。


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