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毫米波設(shè)計(jì)白皮書系列 | 優(yōu)化射頻壓縮安裝連接器的性能中篇

8小時(shí)前作者：Samtec中國

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接上文?毫米波設(shè)計(jì)白皮書系列 | 優(yōu)化射頻壓縮安裝連接器的性能上篇

基于建模和測(cè)量數(shù)據(jù)，本白皮書調(diào)查了錯(cuò)位和針腳壓縮如何影響實(shí)際設(shè)計(jì)。它還解釋了如何檢測(cè)和避免問題，以優(yōu)化性能并完成成功的設(shè)計(jì)。

在毫米波設(shè)計(jì)中，壓縮安裝連接器通常用于避免與焊接變化相關(guān)的問題。然而，在使用壓縮安裝連接器時(shí)，應(yīng)考慮到針腳壓縮以及錯(cuò)位對(duì)高頻電氣性能的潛在影響。

對(duì)于毫米波設(shè)計(jì)而言，壓縮安裝連接器相比焊接連接具有顯著優(yōu)勢(shì)。例如，它們避免了回流焊可能導(dǎo)致的性能下降，能夠實(shí)現(xiàn)高性能的毫米波頻率，在印刷電路板（PCB）設(shè)計(jì)過程中提供了靈活性，具有高可靠性，并且可以重復(fù)使用。

上一期引出了針腳壓縮安裝的前置步驟，接下來的步驟是利用這些結(jié)果來模擬對(duì)電氣性能的潛在影響。我們將Ansys Mechanical中的結(jié)果網(wǎng)格導(dǎo)出為STL格式。

本文將是本系列上中下三期的第二篇，讓我們繼續(xù)一探究竟。

【Ansys HFSS?電氣仿真】

接下來，準(zhǔn)備Ansys Mechanical結(jié)果以進(jìn)行Ansys HFSS 電氣仿真。

為了將 STL 文件中大型機(jī)械模型的許多刻面轉(zhuǎn)換為更適合于電磁仿真的模型，同時(shí)保留機(jī)械變形，需要將STL文件導(dǎo)入Ansys Discovery中，并使用幾個(gè)刻面工具，如自動(dòng)擬合和擬合樣條，將許多刻面替換為光滑的曲面并轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型（見圖 6）。

圖 6：左圖突出顯示了所有小的“刻面”段，這些段表示為獨(dú)立的片狀對(duì)象；右圖展示了“清理”后的模型，其中小段已全部轉(zhuǎn)化為平滑的實(shí)體模型。

為了驗(yàn)證清理后的實(shí)體幾何形狀是否是原始刻面幾何形狀的合理精確表示，我們使用Ansys Discovery 中的偏差工具快速比較幾何形狀，并進(jìn)行顏色疊加。我們將介電體設(shè)置為 2/10,000 英寸的公差，將跡線設(shè)置為 1/10,000 英寸的公差。圖 7 顯示了顏色匹配（綠色表示在公差范圍內(nèi)），確認(rèn)了清理后的幾何形狀實(shí)際上是從 Ansys Mechanical 導(dǎo)出的原始模型的準(zhǔn)確表示。

圖 7：原始詳細(xì)的機(jī)械模型與用于電磁仿真的“清理”模型之間的比較顯示出了良好的相關(guān)性。

雖然可以通過在模型樹中右鍵單擊模型對(duì)象來快速將 STL 轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型，但結(jié)果是一個(gè)非常龐大的模型，可能難以甚至無法在諸如 HFSS 等電磁場(chǎng)求解器中導(dǎo)入和求解。這個(gè)中間模型準(zhǔn)備步驟的價(jià)值和動(dòng)機(jī)在于確保模型能夠在 HFSS 中高效地求解。

在這種情況下，相比于簡(jiǎn)單的 STL 轉(zhuǎn)換為Parasolid，這一步驟使文件大小減小了5倍，清理后的模型相對(duì)于刻面模型來說，HFSS 項(xiàng)目文件大小減小了 5 倍，HFSS 求解時(shí)間減少了4倍，HFSS求解內(nèi)存減少了2倍。

【電氣性的影響】

一旦可靠的模型被創(chuàng)建，下一步就是確定機(jī)械變形幾何對(duì)電氣性能的影響。為了收集基線特性，我們檢查了一個(gè)理想的 PCB 模型的性能，該模型沒有扭矩、沒有模擬的針腳壓縮，也沒有 PCB 變形（見圖 8）

圖 8：當(dāng)針腳和焊盤對(duì)齊且沒有扭矩時(shí)，VSWR 處于最佳狀態(tài)，阻抗為標(biāo)稱值。

接下來，我們?cè)u(píng)估了施加了 0.6 英寸-磅扭矩的模型（見圖 9）。圖 9 的右上方板顯示了層堆棧中的 PCB 翹曲。圖 9 左上方顯示了時(shí)域中的阻抗曲線（紅色曲線），與標(biāo)稱值（藍(lán)色曲線）進(jìn)行了比較。

圖 9：我們發(fā)現(xiàn) 0.6 英寸-磅的扭矩（紅色曲線）略微提高了阻抗曲線（左上方），但對(duì) VSWR 的影響很?。ㄗ笙路剑?。

請(qǐng)注意，在從連接器過渡到電路板的過程中，與標(biāo)稱情況相比，阻抗在大約 50 ps 處意外增加。然而，需要牢記的是，機(jī)械模型包含了連接器珠的一定程度彎曲，導(dǎo)致中心接觸在連接器長(zhǎng)度方向上產(chǎn)生額外位移，可以觀察到阻抗曲線在大約 25 ps 處增加，與標(biāo)稱情況相比。因此，盡管這一情況出人意料，但考慮到在假設(shè)性仿真模擬中忽略了接觸位移，這是合理的。這進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)了機(jī)械仿真模擬所帶來的價(jià)值和見解。

與標(biāo)稱情況相比，阻抗的偏差可能意味著反射增加，因此 VSWR 也會(huì)增加。然而，由于阻抗的總體趨勢(shì)仍然與標(biāo)稱情況非常相似，因此對(duì) VSWR 的影響很小。需要注意的是，0.6 英寸-磅的扭矩在 0.5 至 0.8 英寸-磅的建議安裝扭矩范圍內(nèi)，這表明遵循建議范圍可以減少在安裝時(shí)降低電氣性能的可能性。

第三個(gè)模型（見圖 10）施加了 0.9 英寸-磅的扭矩，略高于?Samtec?規(guī)定的扭矩范圍。與0.6 英寸-磅扭矩模型相比，阻抗顯示出一些微小的偏差。在接近 90 GHz 之前，所得到的VSWR 與前兩個(gè)模型顯示出類似的相關(guān)性。所有這三種情況在整個(gè)帶寬范圍內(nèi)的 VSWR 均優(yōu)于 1.4:1。

圖 10：扭矩過大的 0.9 英寸-磅模型（綠色曲線）對(duì) VSWR 的影響更大，特別是在較高頻率下。

對(duì)電氣性能最令人驚訝的風(fēng)險(xiǎn)是由于扭矩過大和/或 PCB 材料較軟導(dǎo)致的意外 PCB 翹曲。增加的 PCB 翹曲可能會(huì)在連接器和 PCB 之間形成一個(gè)空腔，PCB 翹曲的增加對(duì)應(yīng)著空腔幾何形狀的變化。圖 11 左側(cè)的圖像顯示了在連接器和 PCB 之間形成的空腔中占據(jù)最大空間的表面上繪制的電場(chǎng)分布。