【摘要/前言】
接上文 毫米波設計白皮書系列 | 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)查了錯位和針腳壓縮如何影響實際設計。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計。
在毫米波設計中，壓縮安裝連接器通常用于避免與焊接變化相關的問題。然而，在使用壓縮安裝連接器時，應考慮到連接器模型針腳壓縮以及錯位對高頻電氣性能的潛在影響。
對于毫米波設計而言，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）設計過程中提供了靈活性，具有高可靠性，并且可以重復使用。
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，準備Ansys Mechanical結(jié)果以進行Ansys HFSS電氣仿真。
為了將STL文件中大型機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，同時保留機械變形，需要將STL文件導入Ansys Discovery中，并使用幾個刻面工具，如自動擬合和擬合樣條，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)化為平滑的實體模型。
為了驗證清理后的實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，并進行顏色疊加。我們將介電體設置為2/10,000英寸的公差，將跡線設置為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)），確認了清理后的幾何形狀實際上是從Ansys Mechanical導出的連接器原始模型的準確表示。
圖7：原始詳細的機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)換為實體模型，但結(jié)果是一個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入和求解。這個中間模型準備步驟的價值和動機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項目文件大小減小了5倍，HFSS求解時間減少了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：當針腳和焊盤對齊且沒有扭矩時，VSWR處于最佳狀態(tài)，阻抗為標稱值。
接下來，我們評估了施加了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左上方顯示了時域中的連接器阻抗曲線（紅色曲線），與標稱值（藍色曲線）進行了比較。
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的影響很小（左下方）。
請注意，在從連接器過渡到電路板的過程中，與標稱情況相比，阻抗在大約50ps處意外增加。然而，需要牢記的是，機械模型包含了連接器珠的一定程度彎曲，導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，與連接器標稱情況相比。因此，盡管這一情況出人意料，但考慮到在假設性連接器仿真模擬中忽略了接觸位移，這是合理的。這進一步強調(diào)了機械仿真模擬所帶來的價值和見解。
與連接器標稱情況相比，連接器阻抗的偏差可能意味著反射增加，因此VSWR也會增加。然而，由于連接器阻抗的總體趨勢仍然與連接器標稱情況非常相似，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降低電氣性能的可能性。
第三個連接器模型（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與前兩個連接器模型顯示出類似的相關性。所有這三種情況在整個帶寬范圍內(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險是由于扭矩過大和/或PCB材料較軟導致的意外PCB翹曲。增加的PCB翹曲可能會在連接器和PCB之間形成一個空腔，PCB翹曲的增加對應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翹曲增加會產(chǎn)生空腔，而電磁泄漏到空腔中會導致電吸出并降低性能。
由此產(chǎn)生的場圖揭示了一個延伸到信號路徑之外的空腔，這引發(fā)了一個新問題：空腔可能會導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，我們將針對錯位和對準進行探討，并提供漢化完整版的下載渠道。 |
