【摘要/前言】
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和避免問題，以優(yōu)化連接器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)考慮到連接器模型針腳壓縮以及錯(cuò)位對高頻電氣性能的潛在影響。
對于毫米波設(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。例如，它們避免了回流焊可能導(dǎo)致的性能下降，能夠?qū)崿F(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連接器的前置步驟，接下來的步驟是利用這些結(jié)果來模擬對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。
本文將是本壓縮安裝連接器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連接器模型，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)出的連接器原始模型的準(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。
雖然可以通過在連接器模型樹中右鍵單擊模型對象來快速將STL轉(zhuǎn)換為實(shí)體模型，但結(jié)果是一個(gè)非常龐大的連接器模型，可能難以甚至無法在諸如HFSS等電磁場求解器中導(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，清理后的連接器模型相對于刻面模型來說，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】
一旦可靠的連接器模型被創(chuàng)建，下一步就是確定機(jī)械變形幾何對電氣性能的影響。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，該連接器模型沒有扭矩、沒有連接器模擬的針腳壓縮，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，我們評(píng)估了施加了0.6英寸-磅扭矩的連接器模型（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)域中的連接器阻抗曲線（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VSWR的影響很�。ㄗ笙路剑�
請注意，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50ps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度方向上產(chǎn)生額外位移，可以觀察到連接器阻抗曲線在大約25ps處增加，與連接器標(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)性連接器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。
與連接器標(biāo)稱情況相比，連接器阻抗的偏差可能意味著反射增加，因此VSWR也會(huì)增加。然而，由于連接器阻抗的總體趨勢仍然與連接器標(biāo)稱情況非常相似，因此對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)連接器模型（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90GHz之前，所得到的VSWR與前兩個(gè)連接器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VSWR的影響更大，特別是在較高頻率下。
對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分布。
圖11：PCB翹曲增加會(huì)產(chǎn)生空腔，而電磁泄漏到空腔中會(huì)導(dǎo)致電吸出并降低性能。
由此產(chǎn)生的場圖揭示了一個(gè)延伸到信號(hào)路徑之外的空腔，這引發(fā)了一個(gè)新問題：空腔可能會(huì)導(dǎo)致吸出并最終減少連接器的可用帶寬。
【小結(jié)】
本文為壓縮安裝連接器系列第二期，我們以Ansys Mechanical結(jié)果以進(jìn)行Ansys HFSS電氣仿真，并逐步研究了電氣性的影響。
在最后一篇中，我們將針對錯(cuò)位和對準(zhǔn)進(jìn)行探討，并提供漢化完整版的下載渠道。 |
