【導(dǎo)讀】本實(shí)例簡(jiǎn)要討論了如何使用AWR公司的Analyst 3D有限元方法(FEM)電磁仿真器優(yōu)化同軸連接器到微帶線的轉(zhuǎn)接。有興趣的同學(xué)可以學(xué)習(xí)學(xué)習(xí)。
概述
在比較測(cè)量結(jié)果與仿真結(jié)果時(shí)，從測(cè)量硬件的同軸電纜到待測(cè)設(shè)備信號(hào)走線的轉(zhuǎn)接段一般被認(rèn)為是理想的。但在實(shí)際應(yīng)用中，這種“理想”狀態(tài)在較高頻率時(shí)通常會(huì)導(dǎo)致數(shù)據(jù)失配(仿真數(shù)據(jù)≠測(cè)量數(shù)據(jù))。
圖1：SMA連接器用于把測(cè)量硬件的同軸電纜連接到PCB，并將同軸模式信號(hào)轉(zhuǎn)換為微帶線模式，最后傳送給待測(cè)設(shè)備。
仿真輸入/輸出端口一旦連到PCB走線上(比如連到微帶線或共面波導(dǎo))，就會(huì)默認(rèn)做出這種理想的假設(shè)(圖2)。雖然有許多方法可以用來(lái)確保轉(zhuǎn)接段具有盡可能小的反射，但這個(gè)特殊例子重點(diǎn)突出了將完整的3D FEM電磁模型用于連接器的方法。這種方法支持以分析的方式處理轉(zhuǎn)接的寄生效應(yīng)，使我們遠(yuǎn)離“理想”狀態(tài)，并趨于現(xiàn)實(shí)。
圖2：一般情況下仿真端口直接位于微帶線上，忽略圖1中的連接器所代表的不連續(xù)性，因而會(huì)系統(tǒng)性地扭曲仿真結(jié)果與測(cè)量結(jié)果。
設(shè)計(jì)
在原理圖(父文檔)中，我們已經(jīng)繪制了含信號(hào)走線的印刷電路板(PCB)。為20mil基板設(shè)計(jì)的3D連接器從技術(shù)上講就是父文檔的亞模型(或子模型)，也就是說(shuō)設(shè)計(jì)是分層的。連接器模型允許在連接器的同軸電纜末端布置一個(gè)端口(輸入端口)，其它端口則被定義為微帶線末端的普通波端口(輸出端口)。輸出端口的參考平面被移動(dòng)到連接器后面。
沒(méi)經(jīng)優(yōu)化的轉(zhuǎn)接質(zhì)量
圖3中的轉(zhuǎn)接曲線S11表明，良好的固有匹配只到大約2GHz。在10GHz的目標(biāo)設(shè)計(jì)頻率點(diǎn)，反射高達(dá)-10dB。很明顯，設(shè)計(jì)現(xiàn)在將受益于優(yōu)化后的轉(zhuǎn)接，不僅因?yàn)閾p失的能量，而且因?yàn)槭涫窃斐蓽y(cè)量與仿真偏差的一個(gè)重要來(lái)源。
圖3：優(yōu)化之前在同軸端口處的轉(zhuǎn)換段反射系數(shù)。
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優(yōu)化策略
轉(zhuǎn)接模型可以在原理圖中將電磁文檔用作普通子模型加以優(yōu)化。很容易確定的是，串聯(lián)L，并聯(lián)C的匹配電路可以完成10GHz點(diǎn)的優(yōu)化工作。在微帶線中，串聯(lián)L可以用窄的帶狀線段實(shí)現(xiàn)，而并聯(lián)C可以用寬的帶狀線段實(shí)現(xiàn)。因此，優(yōu)化所要求的微帶尺寸非常簡(jiǎn)單，如圖4所示。
圖4：可用于優(yōu)化從同軸到微帶線的轉(zhuǎn)接段的候選匹配電路。
最后一步是將匹配電路尺寸放進(jìn)3D模型中，然后執(zhí)行驗(yàn)證仿真，如圖6所示。
圖5：在同軸端口使用匹配電路的封閉式模型時(shí)的轉(zhuǎn)接段反射系數(shù)(綠色曲線)。
圖7：在10GHz頻率點(diǎn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化了的轉(zhuǎn)接段的表面電流注釋。
從圖中可以看出，第一次匹配試驗(yàn)是非常優(yōu)秀的。
對(duì)10GHz時(shí)的表面電流進(jìn)行觀察和繪制動(dòng)畫(huà)也是相當(dāng)有益的，如圖7所示。
圖7：在10GHz頻率點(diǎn)經(jīng)過(guò)優(yōu)化了的轉(zhuǎn)接段的表面電流注釋。
總之，這種簡(jiǎn)單的匹配電路可以使從同軸電纜到微帶線的信號(hào)傳輸在10GHz目標(biāo)設(shè)計(jì)頻率處具有不到-20dB的反射性能。匹配帶寬大約是2GHz，而且使用帶連接器電磁模型的傳統(tǒng)電路模型進(jìn)行優(yōu)化很方便，也很可靠。完整的3D電磁驗(yàn)證解決方案可以立即供貨，并且?guī)缀涡螤畹玫搅俗顑?yōu)化。
從不同連接器到不同電路基板的各種轉(zhuǎn)接模型可以存儲(chǔ)為庫(kù)，然后在任何后續(xù)的電路設(shè)計(jì)中方便地調(diào)用。集成的3D電磁工具支持將所有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)保持在一個(gè)AWR Design Environment(AWRDE)項(xiàng)目文件中，包括連接器、綁定的封裝、外殼或任何其它任意三維物體。這樣可以消除模型誤用的風(fēng)險(xiǎn)，舉例來(lái)說(shuō)：水平連接器被改為垂直連接器；設(shè)計(jì)版圖的圖形化視圖將立即顯示使用的是哪個(gè)3D模型，這與在其它地方評(píng)估連接器的S參數(shù)、然后作為盲文件導(dǎo)入AWRDE的情況是不同的。單項(xiàng)目文件也意味著更容易進(jìn)行歸檔、設(shè)計(jì)傳遞、存儲(chǔ)和復(fù)用。
