毫米波信号对PCB走线、电缆和连接器的影响—简易牛角连接器-板对板连接器-插座插针-排针排母厂家「宇熙精密连接器」行业资讯

毫米波技术在各种应用中的使用正在增长，从5G电话到汽车系统和无人机。在毫米波频率下，信号完整性(SI)是一个主要问题。SI测量信号在无失真或不适当损失的情况下传播的能力。它测量通过系统中的印刷电路板 (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可靠的系统运行，并且由于阻抗不匹配、反射、振铃、串扰、抖动、地弹等因素而发生。

根据所使用的信号调制方案以及其他因素，SI优化采用不同的形式。例如，对于使用ASK、PSK、QAM、QPSK或任何其他使用相位或幅度突然变化，来编码数字信息的信号调制方案的信号来说，控制振铃的需求至关重要。对于FSK等足够平滑的调频方案，振铃的影响较小。振铃只是SI的一方面。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匹配的源阻抗和接收器阻抗，这些阻抗与信号线本身的阻抗相同。
• 需要管理和最小化阻抗不连续性，并且可能发生在信号路径中的过孔、信号路径中的分支、线头、信号线与连接器引脚配合时以及信号线从源头开始和/或在信号线结束时接收者。
• 通过走线长度匹配可以最大限度地减少传播延迟。
• 串扰噪声可以通过增加相邻信号迹线之间的间距、使用较低介电常数的基板材料、使用具有紧密耦合差分对的差分信号以及确保信号返回路径尽可能宽和均匀来控制。
• 可以使用多种设计方法解决电源和接地分布问题(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，以及将电源和接地平面靠近并靠近 PCB 表面放置以减少过孔电感。

控制阻抗是防止毫米波PCB中出现 SI 问题的最重要因素。互连几何形状对于确定和控制阻抗很重要。走线形状是一个复杂的因素，除了足够的隔离外，还包括介电吸收、趋肤效应、粗糙度损失和散射造成的损失。

高频PCB通常依靠微带或带状线传输线几何结构与保护通孔来隔离不同的电路块并减少辐射发射。另一种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，它可以提供更低的损耗和更强的隔离，尤其是在表面层上。

图1：毫米波频率PCB布局中的边缘耦合接地共面波导 (GCPW) 示例。

对于 GCPW，集肤效应仍然存在，但GCPW周围的地平面将电流吸引到波导的水平边缘，这里的表面粗糙度最低，从而减少了集肤效应。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。在毫米波频率下，GCPW 通常与 FR4 基板一起使用，而微带线和带状线与其他基板材料一起使用。

基板中的介电吸收只是损耗的一个因素。铜的粗糙度和趋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，使用附加工艺在基板上创建迹线可以降低粗糙度并提高高频效率。

传统的减材PCB制造工艺会创建梯形横截面的走线，顶部比底部窄。梯形横截面角度可以与垂直方向成 25 到 45 度，从而改变走线的阻抗并降低毫米波频率下的性能。除了降低表面粗糙度外，使用增材 PCB 制造工艺还可以在走线上形成垂直边，从而消除梯形横截面对高频性能的限制。

用于射频和毫米波的同轴电缆

基本同轴(同轴)电缆是一种带有中心导体和外导体的双导体结构，外导体也用作屏蔽，两者之间有绝缘垫片。该结构提供了对电缆阻抗的严格控制，并提高了高频性能。同轴电缆用于各种应用。同轴电缆的两种主要类型：用于高速数据、射频、毫米波传输的50Ω产品，和主要用于视频信号和其他应用的75 Ω产品。

图2：带有单屏蔽的基本同轴电缆结构。

高性能同轴电缆专为嘈杂的环境而开发。这些电缆可以由 10 个或更多元素组成(见下图)：

1. 中心导体——初级导体，通常由铜包钢制成。

2. 中心导体粘合——聚合物涂层可阻止水分迁移。

3. 电介质——低损耗、低密度、聚乙烯泡沫。

4. 第一个外导体——铝-聚合物-铝带屏蔽。

5. 第二个外导体——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。

6. 第三个外导体——也是一种铝-聚合物-铝带，以进一步增强屏蔽和机械完整性。

7. 第四个外导体——为了在极端射频噪声环境中增强低频屏蔽隔离，增加了 34 或 36 AWG 铝编织层。

8. 耐腐蚀保护涂层。

9. 护套——紫外线稳定的外涂层覆盖整个组件，以在安装过程中和电缆的安装寿命期间保护芯线。

10. 一体式信使(可选)——由镀锌碳钢丝制成的支撑构件，以提供额外的机械强度。

图3：高性能同轴电缆可以具有多层屏蔽，以在嘈杂的环境中提供保护。

毫米波连接器和电缆的妥协

如上所述，同轴传输线和连接器的主要阻抗在美国为50 Ω。它代表了性能折衷：77.5Ω是最小衰减的理论阻抗，30Ω是最大功率传输的理论阻抗。 这两个阻抗的平均值为53.75 Ω，并四舍五入为50 Ω，这在最小衰减和最大功率传输之间提供了良好的折衷。

有其他阻抗的连接器可用，下一个最受欢迎的阻抗是75 Ω(用于最小衰减性能)。 由于它提供了卓越的衰减性能，75 Ω在国际和长线通信系统中得到了相当广泛的使用。

图4：高性能同轴电缆可以具有多层屏蔽，以在嘈杂的环境中提供保护。

同轴连接器和电缆的直径需要远小于信号波长。否则，就会出现一种叫做“调制(Moding)”的现象。 调制是指当连接器被驱动超过 Fcutoff(见下图)时，出现的不需要的波导调制(非横向电磁调制，或 TEM)。

2.92mm RF连接器适用于 40GHz，2.4mm 连接器适用于 50GHz，1.85mm 连接器适用于67GHz，就是跟调制有关。调制设置同轴电缆的物理尺寸限制，同轴电缆中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更大，外径也会增加，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”。

图5：为了避免不需要的传输模式，同轴连接器的尺寸需要调整为正确的截止频率 (Fcutoff)。

毫米波连接器标准

有几个与毫米波连接器相关的 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 精密电气测量的同轴连接器。该标准的频率范围从 65 GHz 增加到 110 GHz，因为市场上存在额定上限最低工作频率为 110 GHz 的 1 毫米连接器。
• IEEE P287.1——《射频、微波和毫米波频率的精密同轴连接器标准—第 1 部分：一般要求、定义和详细规范》——该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精密同轴连接器的推荐规程—第 2 部分：测试程序》 ——该推荐规程规定了用于射频、微波和毫米波频率的精密同轴连接器的机械和电气测试程序和毫米波频率。
• IEEE 287-2007 ——《IEEE 精密同轴连接器标准(DC 至 110 GHz)》——该标准提出了最低性能要求，以标准化雌雄同体和插针和插座型连接器。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。

结论

SI 是毫米波 PCB 和互连系统设计中的一个重要因素。它测量通过系统中 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可靠的系统操作，并且会由于阻抗不匹配、反射、振铃、串扰、抖动、地弹等因素而发生。设计人员必须使用多种工具来优化毫米波应用中的SI 。