基于集總模型的SMA 阻抗優(yōu)化研究*

鄒 亮，張 樂，樊 超，鄔小均，黃俊驍，王曉婷

（1.中移物聯(lián)網(wǎng)有限公司，重慶 401121；2.重慶腦與智能科學中心，重慶 401336）

0 引言

在通信模組測試過程中，射頻同軸連接器（Sub-MiniatureA，SMA）作為一個單端口元件，在開發(fā)板上大量使用。其中，直插式SMA 由于焊接牢靠、成本較低、采購方便，在目前設(shè)計中被大量用作外接SMA 頭，但是由于很多開發(fā)板的印制電路板（Printed Circuit Board，PCB）設(shè)計為了避免過孔和stub 的影響，都是采用頂層（Top Layer，TOP）出線，直接連接到直插式SMA 的TOP 層連接處[1]，設(shè)計出的PCB 阻抗在測試時達不到期望值，其主要原因是反焊盤的優(yōu)化不足和自身過長的stub 影響了整體的阻抗[2]。而立式貼片SMA 采用壓接式的原理，阻抗優(yōu)化更容易，而且不需要螺絲將SMA 和PCB進行固定，成本上比高速壓接式SMA 更低，但是現(xiàn)在工藝大多都是采用無鉛工藝[3]，導致立式貼片SMA 的牢靠性不如直插式SMA。

為了對比和優(yōu)化SMA 連接器的性能指標，提高整體鏈路的電性能指標，筆者提出直插式SMA和立式貼片SMA 分別對集中參數(shù)建模[4]，分析各項參數(shù)對阻抗的影響，并且采用三維電磁仿真軟件（High Frequency Structure Simulator，HFSS）對PCB 和直插式SMA 和立式貼片SMA 進行三維電磁場建模[5]，并對比二者的差異情況。

1 同軸連接器結(jié)構(gòu)分析

常見的SMA 同軸微帶連接器主要由內(nèi)導體、外導體和絕緣支撐3 部分組成[6]，常見SMA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 常見SMA 內(nèi)部結(jié)構(gòu)

為了支撐和固定內(nèi)導體與外導體的相對位置，內(nèi)、外導體之間設(shè)計有絕緣支撐。目前絕緣支撐的常用材料有聚四氟乙烯、聚乙烯、聚苯乙烯等。連接器廠家設(shè)計連接器內(nèi)部導體大小不同，但內(nèi)部阻抗保持一致性，都是50 Ω。

同軸微帶連接器的特性阻抗公式為：

式中：Z0為連接器的特性阻抗，常用值為50 Ω；εr為絕緣介質(zhì)的介電常數(shù)；D和d分別為外導體的內(nèi)徑和內(nèi)導體的外徑。

工作原理：內(nèi)導體包括了SMA 插針處、聚四氟乙烯包裹處、和PCB 接觸的地方3 個部分。SMA插針處是一段空氣同軸線，經(jīng)過公式（1）計算得到阻抗是50 Ω，聚四氟乙烯包裹的內(nèi)導體部分是一段介質(zhì)同軸線，經(jīng)過公式（1）計算得到阻抗是50 Ω，剩下內(nèi)導體和PCB 部分阻抗為未控制部分。直插式SMA 和立式貼片SMA 與PCB 接觸的地方就是需要我們進行優(yōu)化的。

2 構(gòu)建SMA 集總模型

直插式SMA 放置在PCB 上，并且整個通道表層走線，可以等效為立式貼片SMA 加了一個過孔和SMA 的pin 作為stub。過孔可能會表現(xiàn)出容性或者感性，導致阻抗發(fā)生失配，降低信號傳輸?shù)馁|(zhì)量。為保證數(shù)據(jù)的有效性，采用控制變量的方式，對比分析直插式SMA 和立式貼片SAM。

2.1 直插式SMA 集總分析處

分析直插式SMA 主要就是分析過孔和信號管腳stub 的影響。

直插式SMA 的集總LC 模型如圖2 所示。

圖2 直插式SMA 簡化模型

圖2 中的直插式SAM 模型使用了4 層板，信號通道是表層走線直接連接到SMA，其中寄生參數(shù)包括了L1 層pad 部分寄生電容Cpad1；stub 部分包括了1～4 層過孔的寄生電感L14，L4 層pad 寄生電容Cpad4，以及超出PCB 的Lleft 寄生電感。

2.2 立式貼片SMA 集總分析

立式貼片SMA 的簡化模型如圖3 所示。

圖3 直插式SMA 簡化模型

該模型中包含了信號傳輸通道部分，其中寄生參數(shù)包括了L1 層焊盤的寄生電容Cpad1，其中沒有stub 部分。為了方便對比，保持同樣的PCB 疊層結(jié)構(gòu)和焊盤大小，以及立式貼片SMA 內(nèi)部空氣同軸線和介質(zhì)同軸線，由于阻抗一致性，可以將它們看作一個整體。此外，保持直插式SMA 和立式貼片SMA 測試環(huán)境一致。立式貼片SMA 和直插式SMA 的不同之處就是和PCB 連接的地方，立式貼片SMA 沒有stub，阻抗優(yōu)化更容易。

2.3 SMA 連接器寄生參數(shù)分析

直插式SMA 等效為立式貼片SMA 加了一個過孔和SMA 的pin 作為stub。過孔在高速鏈路中可等效為多個LC 級聯(lián)的模型，優(yōu)化過孔[7]部分就是降低stub 部分的和，同時使信號傳輸通道的阻抗更接近50 Ω。過孔寄生電容的經(jīng)驗公式和過孔建模為集總LC 模型時過孔電感的經(jīng)驗公式分別為：

式中：εr1為相對介電常數(shù)，D1為過孔焊盤的直徑，D2是過孔的反焊盤直徑，T為PCB 板厚，h為過孔的長度，d1為中心鉆孔的直徑。

式中：Z為單位走線的阻抗，L為單位走線的電感，C為單位走線的電容。

觀察式（4）可知，可以通過調(diào)整容性負載，來改變阻抗的大小。可知在信號通路中，可以通過減小容性阻抗或者增大感性阻抗來提高直插式SMA的阻抗。在非信號的通路中，stub 部分對阻抗有惡化的作用，它的寄生電容、寄生電感都會對信號造成衰減。然而，由式（2）和式（3）可知，可以通過減小過孔焊盤直徑或者增大反焊盤的直徑來降低電容的影響，以及減小過孔的stub 來減小感性阻抗。在直插式SMA 中，表層走線之后的中心pin 管腳剩下的部分都是stub[8]。雖然上面的公式無法直接用在實際模型中，但是可以通過HFSS 進行三維建模系統(tǒng)的優(yōu)化分析。

3 SMA 模型仿真與分析

3.1 直插式SMA 建模仿真和分析

本文新建了微帶線和直插式SMA 的物理模型，其中PCB 使用常規(guī)FR4 板材，表層走線采用單端阻抗的方式參考第2 層，L1 層銅厚1.38 mil，L1 和L2 之間sub1 使用7628 的pp 片，厚度為8.28 mil，L2、sub2、L3 組成芯板，L2 和L3 層銅厚為0.6 mil，sub2為41.93 mil，L3和L4之間sub3使用7628的pp片，厚度為8.28 mil，L4 層銅厚1.38 mil。微帶線阻抗計算公式為：

式中：W為線寬，T為走線的銅皮厚度，H為走線到參考平面的距離，εr2為PCB 板材質(zhì)的介電常數(shù)。

根據(jù)式（5）計算得到，微帶線阻抗50 Ω 的線寬是13.75 mil。直插式SMA 模型通過下載STEP模型，然后將模型分解為管控部分阻抗和非管控部分阻抗，管控部分阻抗包含了空氣同軸線和介質(zhì)同軸線，由于SMA 內(nèi)部管控的阻抗都是50 Ω，為簡化模型復雜度，可將它們看作一個部分。定義D=4.572，d=1.37，DK=2.1，經(jīng)過式（1）計算得到阻抗Z0=49.8 Ω。非管控部分阻抗和PCB 連接處阻抗需要仿真優(yōu)化。

通過上面的計算結(jié)果分別建立PCB 模型和直插式SMA 模型。建立PCB，直插式SMA 的PAD尺寸和立式貼片SMA 的PAD 尺寸保持一致；將建立好的直插式SMA 模型放置到已經(jīng)建立好的PCB模型上[9]，最后對直插式SMA 內(nèi)導體在PCB 上的反焊盤部分進行優(yōu)化。直插式SMA 和PCB 模型如圖4 所示。

圖4 直插式SMA 模型和PCB 模型

通過參數(shù)化掃描，反焊盤最大的增加尺寸為半徑1.3 mm，從半徑增加為0.5 mm 開始，步長為0.3 mm，進行了4 次掃描得到時域仿真技術(shù)（Time Domain Reflectometry，TDR）仿真。結(jié)果顯示阻抗最接近50 Ω 是在反焊盤半徑增加1.3 mm 的時候。同時從駐波比也可以看出，在反焊盤半徑增加1.3 mm的時候最好。

優(yōu)化反焊盤之后的駐波比（Voltage Standing Wave Ratio，VSWR）情況如圖5 所示,優(yōu)化反焊盤之后的TDR 情況如圖6 所示。

圖5 優(yōu)化反焊盤之后的VSWR 情況

圖6 優(yōu)化反焊盤之后的TDR 情況

通過三維電磁仿真，可以得到直插式SMA 不同反焊盤尺寸下的TDR 和VSWR。可以看出，隨著反焊盤尺寸的增加，直插式SMA 特性阻抗逐漸改善（如圖5、圖6 所示）。直插式SMA 從表層走線到直插式SMA 這一段，最大限度的優(yōu)化為阻抗45.76 Ω，駐波比2.03，效果不理想。由式（3）可知，主要是由于過長的stub 導致電感增加[10]。此外，由于直插式SMA 周圍4 個地（Ground，GND）管腳限制，隔離焊不能隨意擴大導致寄生電容不能一直減小，也會影響直插式SMA 的TDR 阻抗。

3.2 立式貼片SMA 建模仿真和分析

通過HFSS 對立式貼片SMA 和PCB 進行建模，立式貼片SMA 和PCB 模型如圖7 所示。

圖7 立式貼片SMA 和PCB 模型

立式貼片SMA 采用挖空第2 層參考第3 層，并且對第1 層和第1 層的挖空大小進行了參數(shù)化掃描仿真。隔離焊盤增加量從半徑0.2 mm 到半徑1 mm，步長為0.2 mm。進行了5 次掃描，得到TDR 和VSWR 仿真結(jié)果如圖8、圖9 所示。

圖8 立式貼片SMA 進行挖空優(yōu)化的TDR 情況

圖9 立式貼片SMA 進行挖空優(yōu)化的VSWR 情況

通過三維電磁仿真，可以得到立式貼片SMA不同反焊盤尺寸下的TDR 和VSWR。隨著隔離焊盤半徑尺寸的增加（不超過0.8 mm），立式貼片SMA特性阻抗逐漸改善[11]。隔離焊盤半徑尺寸的增加在0.8 mm 到1 mm 之間時SMA 特性阻抗惡化，所以反焊盤半徑尺寸在增加0.8 mm 時，阻抗為49.67 Ω，駐波比為1.08，指標理想。隔離焊盤半徑尺寸從0.8 mm 增大到1 mm 時，根據(jù)式（4），容性阻抗不斷減小，整體阻抗會不斷變大，導致整體阻抗超過50 Ω，并且阻抗來回穿越50 Ω 阻抗，電氣特性會變差，所以隔離焊盤半徑增加1 mm 的時候，VSWR 比半徑尺寸0.8 mm 更大。

3.3 測試結(jié)果與分析

在同樣疊層厚度、同樣的表層走線的條件下，仿真測試對比直插式SMA 和立式貼片SMA 可知，經(jīng)過參數(shù)掃描后，立式貼片SMA 在優(yōu)化之后的TDR 和VSWR 比直插式SMA 優(yōu)化之后的性能指標更好。由于直插式SMA 自身過長的stub 和隔離焊盤的限制，進行參數(shù)化掃描仿真也很難將阻抗和VSWR 優(yōu)化至最佳的狀態(tài)[12]。

4 結(jié)語

高速數(shù)據(jù)傳輸時信號完整性至關(guān)重要，隨著傳輸速率的提高，PCB 寄生參數(shù)對高速信號的影響在不斷增大。本文通過HFSS 軟件分別對SMA 的隔離焊盤參數(shù)進行掃描分析，得出以下結(jié)論：通過分別對立式貼片SMA 和直插式SMA 進行仿真優(yōu)化可知，5 GHz 以內(nèi)立式貼片SMA 能獲得更小的駐波比和更好的阻抗。但是在實際使用過程中，由于目前的錫膏都是無鉛的，在發(fā)生跌落碰撞等情況下，立式貼片SMA 更容易脫落，而直插式SMA 在PCB 上的焊接更加牢靠，不容易脫落。故建議在NB、cat1 等3 GHz 以內(nèi)的開發(fā)板上使用直插式SMA，高于3 GHz之后建議使用立式貼片SMA 座子，改善同軸連接器的性能指標。本文未對底層走線的方式進行分析，底層走線可以降低直插式SMA 的stub 長度，進一步優(yōu)化直插式SMA 的阻抗。