Моделирование разъёма SMA для копланарного волновода с заземлением

10/04/2018

С момента своего появления в 1960-х годах сверхминиатюрные разъёмы типа А (SMA) стали важнейшими компонентами в радиоэлектронной промышленности. Они настолько широко распространены, что могут считаться самыми часто используемыми СВЧ-разъёмами в мире. Для расчета рабочих характеристик разъёма SMA инженеры могут использовать программное обеспечение COMSOL Multiphysics®.

Разработка разъёмов SMA

Разъёмы SMA широко используются в СВЧ-устройствах, в частности в антеннах для сотовых телефонов и оборудовании для тестирования печатных плат. Для того, чтобы убедиться в работоспособности разъёма, инженерам важно рассчитать его конструкцию. В процессе разработки инженеру важно убедиться, что SMA-коннектор будет корректно функционировать в требуемых условиях.

Один из вариантов такой проверки — полноволновое электромагнитное моделирование. С использованием модуля Радиочастоты (RF Module) в COMSOL Multiphysics этот процесс сильно упрощается, так как в нём уже содержатся геометрические заготовки для трёх типов SMA-разъёмов (фланец на 4 отверстия, на 2 отверстия и для вертикального поверхностного монтажа). Их можно найти в Библиотеках геометрических заготовок (Part Library).

Изображение стандартного SMA-разъёма.
Схема разъёма SMA для монтажа в 4 отверстия.

Слева: Изображение разъёма SMA. Изображение предоставлено Meggar. Доступно по лицензии CC BY-SA 3.0 из Wikimedia Commons. Справа: Модель, в которой использованы разьемы SMA, предназначенные для вертикального монтажа и монтажа в 4 отверстия. Они соединены 50-Ω меандровой микрополосковой линией.

Проектируем разъём SMA с помощью модуля Радиочастоты

В данной статье мы рассмотрим разъём SMA для копланарного волновода с заземлением. Копланарные волноводы часто встречаются в различных микроволновых контурах могут быть изготовлены на базе печатных плат, которые используются практически во всех современных электронных устройствах. В нашем примере SMA-коннектор припаян к одному концу заземлённой микрополосковой линии, сигнал с которой снимается сосредоточенным портом с характеристическим импедансом 50 Ω.

Геометрия SMA-коннектора.
Геометрия разъёма SMA.

В качестве учебного примера данная модель преследует две основные цели. Первая — демонстрация и изучение того, как сигнал от коаксиального кабеля проходит через разъём SMA и возбуждает копланарный волновод. Коаксиальный кабель работает в режиме возбуждения ТЕМ-моды на частоте 1 ГГц. Электрическое поле в таком режиме поляризовано в радиальном направлении, т.е. в направлении от внутреннего к внешнему проводнику внутри кабеля. После прохождения по кабелю сигнал через разъём возбуждает симметричную моду в копланарном волноводе. В зависимости от фазы симметричное электрическое поле в копланарной структуре может быть направлено от центрального проводника к внешнему или наоборот.

Второй целью является моделирование пассивных 50-Ω выводов волновода с использованием сосредоточенного порта и т.н. воздушного моста. Существует три различных методики такого подключения выходного порта:

  1. Горизонтальная конфигурация, в которой сосредоточенный порт размещается в зазоре между центральным и внешним проводниками
  2. Вертикальная конфигурация, в которой сосредоточенный порт "проходит" от центрального проводника к воздушному мосту, расположенному над подложкой (воздушный мост соединяет внешние проводники, сохраняя при этом воздушный зазор относительно центрального проводника)
  3. Многоэлементная конфигурация, в которой используется многоэлементный однородный сосредоточенный порт (multielement uniform lumped port)

Группа из трёх графиков, на которых продемонстрировано три способа добавления выходного порта к копланарному волноводу.
Три методики задания выходного порта для копланарного волновода.

Анализ результатов моделирования

В качестве результата электромагнитного расчета вы можете получить и проанализировать распределение электрического поля на верхней поверхности волновода, что показано на рисунке ниже. Обратите внимание, что для наглядной демонстрации эффекта заземления копланарного волновода и концентрации поля при построении графиков использовалась модифицированная цветовая шкала (ограничен верхний предел).

На графике показана норма электрического поля для разъёма SMA.
На графике показана норма электрического поля для разъёма SMA. Расчет в COMSOL Multiphysics®.
На графике показана норма электрического поля для разъёма SMA. Расчет с помощью модуля Радиочастоты.

Норма электрического поля для разъёма SMA. Все три конфигурации хорошо согласуются с эталонным полным сопротивлением 50 Ω, и в т.ч. не наблюдается никаких стоячих волн, которые могли бы свидетельствовать об отражении.

Поскольку графики нормы электрического поля не могут предоставить всю необходимую информацию, полезно рассчитать S-параметры устройства. В данном случае, по результатам расчёта, получаем S-параметр (S11) системы не более -24 дБ. На основе полученной информации и данных по электрическим рабочим характеристикам SMA-разъёма при необходимости можно дополнительно оптимизировать его конструкцию.

Дальнейшие шаги

Теперь вы сами можете изучить учебный пример разъёма SMA, размещенного на копланарном волноводе с заземлением. Для загрузки нажмите на кнопку. Вы переместитесь в Галерею моделей и приложений, где сможете скачать MPH-файл. Для этого потребуется учётная запись COMSOL Access и действительная лицензия на программное обеспечение.

Дополнительные ресурсы


Комментарии (0)

Оставить комментарий
Войти | Регистрация
Загрузка...
РУБРИКАТОР БЛОГА COMSOL
РУБРИКИ
ТЕГИ