毫米波设计白皮书系列 | 优化射频压缩安装连接器的性能 中篇

摘要/前言

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基于建模和测量数据，本白皮书调查了错位和针脚压缩如何影响实际设计。它还解释了如何检测和避免问题，以优化性能并完成成功的设计。

在毫米波设计中，压缩安装连接器通常用于避免与焊接变化相关的问题。然而，在使用压缩安装连接器时，应考虑到针脚压缩以及错位对高频电气性能的潜在影响。

对于毫米波设计而言，压缩安装连接器相比焊接连接具有显著优势。例如，它们避免了回流焊可能导致的性能下降，能够实现高性能的毫米波频率，在印刷电路板（PCB）设计过程中提供了灵活性，具有高可靠性，并且可以重复使用。

上一期引出了针脚压缩安装的前置步骤，接下来的步骤是利用这些结果来模拟对电气性能的潜在影响。我们将Ansys Mechanical中的结果网格导出为STL格式。

本文将是本系列上中下三期的第二篇，让我们继续一探究竟。

Ansys HFSS 电气仿真

接下来，准备Ansys Mechanical结果以进行Ansys HFSS 电气仿真。

为了将 STL 文件中大型机械模型的许多刻面转换为更适合于电磁仿真的模型，同时保留机械变形，需要将STL文件导入Ansys Discovery中，并使用几个刻面工具，如自动拟合和拟合样条，将许多刻面替换为光滑的曲面并转换为实体模型（见图 6）。

图 6：左图突出显示了所有小的“刻面”段，这些段表示为独立的片状对象；右图展示了“清理”后的模型，其中小段已全部转化为平滑的实体模型。

为了验证清理后的实体几何形状是否是原始刻面几何形状的合理精确表示，我们使用Ansys Discovery 中的偏差工具快速比较几何形状，并进行颜色叠加。我们将介电体设置为 2/10,000 英寸的公差，将迹线设置为 1/10,000 英寸的公差。图 7 显示了颜色匹配（绿色表示在公差范围内），确认了清理后的几何形状实际上是从 Ansys Mechanical 导出的原始模型的准确表示。

图 7：原始详细的机械模型与用于电磁仿真的“清理”模型之间的比较显示出了良好的相关性。

虽然可以通过在模型树中右键单击模型对象来快速将 STL 转换为实体模型，但结果是一个非常庞大的模型，可能难以甚至无法在诸如 HFSS 等电磁场求解器中导入和求解。这个中间模型准备步骤的价值和动机在于确保模型能够在 HFSS 中高效地求解。

在这种情况下，相比于简单的 STL 转换为Parasolid，这一步骤使文件大小减小了5倍，清理后的模型相对于刻面模型来说，HFSS 项目文件大小减小了 5 倍，HFSS 求解时间减少了4倍，HFSS求解内存减少了2倍。

电气性的影响

一旦可靠的模型被创建，下一步就是确定机械变形几何对电气性能的影响。为了收集基线特性，我们检查了一个理想的 PCB 模型的性能，该模型没有扭矩、没有模拟的针脚压缩，也没有 PCB 变形（见图 8）

图 8：当针脚和焊盘对齐且没有扭矩时，VSWR 处于最佳状态，阻抗为标称值。

接下来，我们评估了施加了 0.6 英寸-磅扭矩的模型（见图 9）。图 9 的右上方板显示了层堆栈中的 PCB 翘曲。图 9 左上方显示了时域中的阻抗曲线（红色曲线），与标称值（蓝色曲线）进行了比较。

图 9：我们发现 0.6 英寸-磅的扭矩（红色曲线）略微提高了阻抗曲线（左上方），但对 VSWR 的影响很小（左下方）。

请注意，在从连接器过渡到电路板的过程中，与标称情况相比，阻抗在大约 50 ps 处意外增加。然而，需要牢记的是，机械模型包含了连接器珠的一定程度弯曲，导致中心接触在连接器长度方向上产生额外位移，可以观察到阻抗曲线在大约 25 ps 处增加，与标称情况相比。因此，尽管这一情况出人意料，但考虑到在假设性仿真模拟中忽略了接触位移，这是合理的。这进一步强调了机械仿真模拟所带来的价值和见解。

与标称情况相比，阻抗的偏差可能意味着反射增加，因此 VSWR 也会增加。然而，由于阻抗的总体趋势仍然与标称情况非常相似，因此对 VSWR 的影响很小。需要注意的是，0.6 英寸-磅的扭矩在 0.5 至 0.8 英寸-磅的建议安装扭矩范围内，这表明遵循建议范围可以减少在安装时降低电气性能的可能性。

第三个模型（见图 10）施加了 0.9 英寸-磅的扭矩，略高于 Samtec 规定的扭矩范围。与0.6 英寸-磅扭矩模型相比，阻抗显示出一些微小的偏差。在接近 90 GHz 之前，所得到的VSWR 与前两个模型显示出类似的相关性。所有这三种情况在整个带宽范围内的 VSWR 均优于 1.4:1。

图 10：扭矩过大的 0.9 英寸-磅模型（绿色曲线）对 VSWR 的影响更大，特别是在较高频率下。

对电气性能最令人惊讶的风险是由于扭矩过大和/或 PCB 材料较软导致的意外 PCB 翘曲。增加的 PCB 翘曲可能会在连接器和 PCB 之间形成一个空腔，PCB 翘曲的增加对应着空腔几何形状的变化。图 11 左侧的图像显示了在连接器和 PCB 之间形成的空腔中占据最大空间的表面上绘制的电场分布。

图 11：PCB 翘曲增加会产生空腔，而电磁泄漏到空腔中会导致电吸出并降低性能。

由此产生的场图揭示了一个延伸到信号路径之外的空腔，这引发了一个新问题：空腔可能会导致吸出并最终减少连接器的可用带宽。

小 结

本文为系列第二期，我们以Ansys Mechanical结果以进行Ansys HFSS 电气仿真，并逐步研究了电气性的影响。

在最后一篇中，我们将针对错位和对准进行探讨，并提供汉化完整版的下载渠道。

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