通過仿真尋找完美的連接器,從高度匹配到成為現(xiàn)實(shí)

隨著移動(dòng)通信用戶數(shù)量的迅速增加，市場對高速通信的需求也日益增長。相關(guān)企業(yè)和行業(yè)團(tuán)體正在夜以繼日地奮戰(zhàn)，全力應(yīng)對這一挑戰(zhàn)。5G 網(wǎng)絡(luò)的速度預(yù)期將比 4G LTE 快 100 倍，寬帶連接速度可提高 10 倍?！拔覀冃枰鉀Q很多問題，才能將 5G 技術(shù)從概念轉(zhuǎn)化到實(shí)際應(yīng)用中?！?Signal Microwave 公司的聯(lián)合創(chuàng)始人 Bill Rosas 表示，“我們的首要任務(wù)是要能整體實(shí)現(xiàn) 5G 技術(shù)，同時(shí)必須解決從網(wǎng)絡(luò)測試到更新系統(tǒng)互聯(lián)的各項(xiàng)技術(shù)?！?/p>

對于連接器而言，即便是微小的技術(shù)細(xì)節(jié)，也值得研發(fā)人員投入大量的精力進(jìn)行研究。這些不可替代的機(jī)電組件的作用是連接電氣終端，保證終端能正常地將電磁能量通過一條傳輸線傳到另一個(gè)組件，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳輸或解析。所有電子設(shè)備和系統(tǒng)都離不開連接器，其精度對于傳輸信息的電路而言至關(guān)重要，尤其是在數(shù)據(jù)傳輸速率不斷提升的今天，連接器的重要性更是不言而喻。

Eric Gebhard 和 Bill Rosas 共同創(chuàng)立了 Signal Microwave 公司，其核心業(yè)務(wù)是為信號(hào)完整性分析領(lǐng)域提供定制的連接器。Signal Microwave 有能力持續(xù)提升電路的數(shù)據(jù)傳輸速率，滿足優(yōu)化射頻、微波和毫米波連接器的需求，為未來 5G 的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

頻率增加帶來的復(fù)雜性

從事射頻（radio frequency，簡稱 RF）連接器設(shè)計(jì)的專業(yè)人員面臨著一系列的難題。他們一方面要考慮幾何形狀、尺寸和傳輸?shù)南拗埔?，另一方面還要保證連接器與傳輸線的阻抗相互匹配。Rosas 表示：“5G 應(yīng)用的組件制造商在供貨速度方面無可挑剔，開發(fā)和提供高性能組件的能力是在市場競爭中取勝的關(guān)鍵?！?/p>

當(dāng)頻率增高時(shí)，幾何結(jié)構(gòu)或材料選擇造成的微小失真會(huì)被放大，致使保證阻抗匹配的難度增大。圖 1 的照片顯示了專為開發(fā)中的 5G 通信應(yīng)用而設(shè)計(jì)的射頻連接器。

圖 1. 發(fā)射轉(zhuǎn)換器的特寫圖（左）； 由 5G 系統(tǒng)工程師制作的測試電路板（右）。

仿真可以幫助設(shè)計(jì)人員對射頻基礎(chǔ)設(shè)施的關(guān)鍵組件進(jìn)行深度優(yōu)化，Gebhard 和Rosas 對具體的實(shí)現(xiàn)方式表現(xiàn)出了濃厚的興趣。Signal Microwave 擁有廣泛的客戶群，其中一部分工程師客戶專為通信領(lǐng)域、商業(yè)和軍事應(yīng)用開發(fā)頻率為 40~110 GHz 的高頻裝置。

設(shè)計(jì)射頻連接器

多物理場仿真讓 Eric 和他的團(tuán)隊(duì)能夠快速地應(yīng)對每一位新客戶提出的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)。Gebhard 表示： “COMSOL 軟件可與多種設(shè)計(jì)工具進(jìn)行交互使用，這一功能可以讓我們的團(tuán)隊(duì)高效地開發(fā)并優(yōu)化連接器，滿足不同行業(yè)客戶的個(gè)性化要求?！边@種方式縮短了產(chǎn)品的上市時(shí)間、減少了總體開發(fā)成本，并降低了對投資的需求。另外，由于組件設(shè)計(jì)人員無需考慮連接組件安全性方面的問題，這讓他們可以放心地將全部精力投入到其他關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

簡單來說，設(shè)計(jì)人員需要將電連接器的機(jī)械部件轉(zhuǎn)換為傳輸線。在設(shè)計(jì)射頻連接器時(shí)，首要設(shè)計(jì)目標(biāo)是制造出可實(shí)現(xiàn)“電隱形”的組件，即通過使連接器與傳輸線的其余部份保持基本相近的性能，盡可能地減少電阻和能量損耗。Gebhard 說：“阻抗不匹配會(huì)引起回波損耗，導(dǎo)致信號(hào)失真或衰減，我們希望最大限度地減少這一問題?！苯柚抡娣治觯O(shè)計(jì)人員在進(jìn)行制造和測試前，就可以完成對產(chǎn)品的優(yōu)化。

通過仿真尋找完美的連接器

通常情況下，Signal Mi-crowave 的客戶會(huì)要求提交單件連接器的具體幾何參數(shù)，并預(yù)先確定阻抗值，然后他們會(huì)據(jù)此進(jìn)行剩余的設(shè)計(jì)工作。Gebhard 和Rosas 采用了一種整體分析方法來設(shè)計(jì)連接器，并在設(shè)計(jì)之前預(yù)先加入電路板和設(shè)備的總體要求。該團(tuán)隊(duì)通常會(huì)先在 Solid Edge? 軟件中構(gòu)建幾何體，再將幾何導(dǎo)入 COMSOL Multiphysics?，然后使用軟件中的 RF 建模功能來分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

Gebhard 對測得的電壓駐波比（voltage standingwave ratio）、回波損耗和插入損耗，以及由阻抗不匹配或意外的不連續(xù)性導(dǎo)致的功率損耗進(jìn)行了仿真分析，這些參數(shù)都應(yīng)降至最小。舉例來說，Signal Microwave 組件中測試電路板的電壓駐波比測量值小于 1.5:1，與仿真結(jié)果一致，說明了反射功率和回波損耗足夠低（圖 2 左）。 根據(jù)仿真結(jié)果，該團(tuán)隊(duì)判斷插入損耗較為平緩，損耗隨著頻率的增高而逐漸增加（圖 2 右）。借助多物理場仿真，Signal Microwave 的團(tuán)隊(duì)建立了反射功率最小的無焊接邊緣連接器組合，這一組合可以拓展到毫米波的范圍。

圖 2. Signal Microwave 部件中測試電路板的電壓駐波比（VSWR）測量值（左）和插入損耗（以 dB 為單位的 S21 參數(shù)的值，參考右圖）。

邊緣啟動(dòng)連接器

Gebhard 同時(shí)還模擬了兩個(gè)邊緣啟動(dòng)連接器，連接器利用 50 歐姆的同軸集總端口進(jìn)行激勵(lì)和終止。在這個(gè)案例中，接地共面波導(dǎo)（grounded coplanar waveguide）電路板在 8 密耳（mil，容量單位）的基材上完成制作，基材的介電常數(shù)為 3.55。金屬過孔將共面波導(dǎo)的一對接地平面連接到底部的接地平面（圖 3）。

圖 3. 結(jié)合了 5G 和衛(wèi)星通信技術(shù)的高速互連應(yīng)用的測試電路板仿真圖像。在 20 GHz 下，電場中以 dB 為單位的模量的云圖和箭頭圖（左）。第一張繪圖的放大版（中）。在 1 GHz 下，電路板頂部電場中以 dB 為單位的電場模的等值面圖（右）。

Gebhard 解釋說：“為了成功實(shí)現(xiàn)連接器的‘電隱身’，我們采取的方法是通過仔細(xì)檢查幾何的不連續(xù)性來盡量減少反射，在此過程中我們利用了 S 參數(shù)來描述回波損耗?！?/p>

除了通過修改幾何結(jié)構(gòu)來最大程度地降低回波損耗，Gebhard 還可以通過優(yōu)化介電材料來獲得所需的阻抗。在某些情況下，Gebhard 也會(huì)使用 COMSOL? 軟件來計(jì)算結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的相關(guān)問題，例如拆下連接器主體上的針腳所需要的最小力。

從高度匹配到成為現(xiàn)實(shí)

Gebhard 同時(shí)還開發(fā)了頻率為 70 GHz 的盲插式連接器，可以適用于自動(dòng)測試設(shè)備。在軟件中完成對射頻模型的創(chuàng)建后，他制作了物理樣機(jī)。令人吃驚的是，連接器樣機(jī)并未按照預(yù)期實(shí)現(xiàn)正常工作。在對物理原型進(jìn)行細(xì)致的分析后，Gebhard 這才意識(shí)到連接器存在一個(gè)微小的缺陷。經(jīng)過工程技術(shù)鑒定，Gebhard 回到原始模型，并將缺陷添加進(jìn)來。最終，仿真結(jié)果與物理測試數(shù)據(jù)完美匹配。

“虛擬設(shè)計(jì)正確無誤，然而物理樣機(jī)卻出現(xiàn)了我們沒有預(yù)料到的缺陷。在對樣機(jī)進(jìn)行詳細(xì)的測試后，我們發(fā)現(xiàn)了問題的所在，并將缺陷添加到了虛擬模型中。最終，生成的仿真結(jié)果與觀察到的問題完全一致。對我們來說這真是一個(gè)靈光乍現(xiàn)的體驗(yàn)?！?/p>

“在這個(gè)案例中，我驚喜地看到仿真結(jié)果與現(xiàn)實(shí)如此高度地吻合。我們隨后又在這個(gè)射頻連接器設(shè)計(jì)中添加了一些特別的構(gòu)思，十分期待親眼看到這些連接器的性能表現(xiàn)?！?/p>

高精度的仿真工具讓 Gebhard 可以不受約束地設(shè)計(jì)和制造針對專業(yè)射頻應(yīng)用的定制化連接器，不僅減少了對物理樣機(jī)的需求，同時(shí)還有效地縮短了開發(fā)周期。