【導讀】本實例簡要討論了如何使用AWR公司的Analyst 3D有限元方法(FEM)電磁仿真器優化同軸連接器到微帶線的轉接。有興趣的同學可以學習學習。
概述
在比較測量結果與仿真結果時，從測量硬件的同軸電纜到待測設備信號走線的轉接段一般被認為是理想的。但在實際應用中，這種“理想”狀態在較高頻率時通常會導致數據失配(仿真數據≠測量數據)。
圖1：SMA連接器用于把測量硬件的同軸電纜連接到PCB，并將同軸模式信號轉換為微帶線模式，最后傳送給待測設備。
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)，就會默認做出這種理想的假設(圖2)。雖然有許多方法可以用來確保轉接段具有盡可能小的反射，但這個特殊例子重點突出了將完整的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接的寄生效應，使我們遠離“理想”狀態，并趨于現實。
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性，因而會系統性地扭曲仿真結果與測量結果。
設計
在原理圖(父文檔)中，我們已經繪制了含信號走線的印刷電路板(PCB)。為20mil基板設計的3D連接器從技術上講就是父文檔的亞模型(或子模型)，也就是說設計是分層的。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到連接器后面。
沒經優化的轉接質量
圖3中的轉接曲線S11表明，良好的固有匹配只到大約2GHz。在10GHz的目標設計頻率點，反射高達-10dB。很明顯，設計現在將受益于優化后的轉接，不僅因為損失的能量，而且因為失配是造成測量與仿真偏差的一個重要來源。
圖3：優化之前在同軸端口處的轉換段反射系數。
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優化策略
轉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化。很容易確定的是，串聯L，并聯C的匹配電路可以完成10GHz點的優化工作。在微帶線中，串聯L可以用窄的帶狀線段實現，而并聯C可以用寬的帶狀線段實現。因此，優化所要求的微帶尺寸非常簡單，如圖4所示。
圖4：可用于優化從同軸到微帶線的轉接段的候選匹配電路。
最后一步是將匹配電路尺寸放進3D模型中，然后執行驗證仿真，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的轉接段反射系數(綠色曲線)。
圖7：在10GHz頻率點經過優化了的轉接段的表面電流注釋。
從圖中可以看出，第一次匹配試驗是非常優秀的。
對10GHz時的表面電流進行觀察和繪制動畫也是相當有益的，如圖7所示。
圖7：在10GHz頻率點經過優化了的轉接段的表面電流注釋。
總之，這種簡單的匹配電路可以使從同軸電纜到微帶線的信號傳輸在10GHz目標設計頻率處具有不到-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電路模型進行優化很方便，也很可靠。完整的3D電磁驗證解決方案可以立即供貨，并且幾何形狀得到了最優化。
從不同連接器到不同電路基板的各種轉接模型可以存儲為庫，然后在任何后續的電路設計中方便地調用。集成的3D電磁工具支持將所有設計數據保持在一個AWR Design Environment(AWRDE)項目文件中，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險，舉例來說：水平連接器被改為垂直連接器；設計版圖的圖形化視圖將立即顯示使用的是哪個3D模型，這與在其它地方評估連接器的S參數、然后作為盲文件導入AWRDE的情況是不同的。單項目文件也意味著更容易進行歸檔、設計傳遞、存儲和復用。
