Altium Live Frage: Digitale Signale in einer geerdeten koplanaren Wellenleiter?

Während meines kürzlichen Vortrags bei AltiumLive 2022 CONNECT gab es eine sehr interessante Frage aus dem Publikum. Jemand fragte, ob es möglich sei, ein digitales Signal durch einen geerdeten koplanaren Wellenleiter zu senden. Dies ist eine interessante Frage, die ein Blick auf die S-Parameter des Wellenleiters erfordert, und genau das werden wir in diesem Beitrag betrachten.

Während der Frage-und-Antwort-Runde bezog ich mich auf eine Arbeit in der Literatur, die einen Satz simulierter und gemessener S-Parameter-Daten für geerdete koplanare Wellenleiter enthält, und ich erwähnte, dass diese Ergebnisse verwendet werden könnten, um die Begrenzung der digitalen Signalübertragung in einer koplanaren Übertragungsleitung zu bestimmen. Für Interessierte kann ein PDF dieser Arbeit hier gefunden werden:

• Sain, Arghya, und Kathleen L. Melde. "Auswirkungen der Platzierung von Erdungsvias in geerdeten koplanaren Wellenleiter-Verbindungen." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 6, Nr. 1 (2015): 136-144.

Ich muss zugeben, ich wurde noch nie so prägnant gefragt, ob eine geerdete koplanare Wellenleitung ein digitales Signal unterstützen kann. Technisch gesehen kann jedes Verbindungsdesign jedes digitale Signal unterstützen, solange es richtig entworfen ist. Die Vorstellung von „richtig entworfen“ variiert je nach Leitungstyp und hängt von den geometrischen Parametern und den Substratmaterialparametern ab. Mit diesem Hintergrund im Kopf, schauen wir uns einige Ergebnisse für eine typische geerdete koplanare Wellenleitung aus dem oben genannten Papier an und sehen, wie diese die Herausforderungen bei der Signalübertragung in einer geerdeten koplanaren Wellenleitung vorhersagen.

GCPW S-Parameter und digitale Signale

Um diese Frage zu beantworten, muss man sich die S-Parameter für eine geerdete koplanare Wellenleitung (GCPW) anschauen. Die S-Parameter werden durch mehrere Faktoren beeinflusst, nämlich die Platzierung der Vias, den Abstand zu Ebenen und Kupferflächen sowie die Via-Dichte. Wenn Sie die S-Parameter für Ihre GCPW simulieren oder berechnen können, dann können Sie sofort die Bandbreite des digitalen Signals bestimmen, die Ihre GCPW unterstützen kann, da sie Leistung an einen Empfänger überträgt. Die gleiche Idee gilt auch für jede andere Verbindung, einschließlich anderer koplanarer Anordnungen.

Das oben zitierte Papier betrachtet tatsächlich drei verschiedene koplanare Anordnungen, die unten gezeigt werden. Hier haben wir die drei Standard-koplanaren Anordnungen: (a) koplanar ohne Masseebene, (b) koplanar mit Masseebene und (c) der Standard GCPW mit der Via-Zaun entlang der Leiterbahn.

Die relevante Struktur zur Analyse hier ist der GCPW in (c). Der primäre Mechanismus, der zur Steuerung der S-Parameter im GCPW verwendet wird, ist:

• Via-zu-Leiterbahn-Abstand (VL): Dies legt die Resonanzfrequenzen fest, die der Wellenausbreitung über den Querschnitt der Leiterbahn entsprechen. Ein größerer Abstand verschiebt Resonanzen zu niedrigeren Frequenzen.
• Via-Teilung (VP): Dies legt die Resonanzfrequenzen fest, die der Streuung von den Via-Wänden entsprechen; wenn diese zylindrischen Resonanzen angeregt werden, wird es eine starke Kopplung in das nahegelegene Erdreich geben und möglicherweise destruktive Interferenz entlang der Leiterbahn, was zu Leistungsverlust führt.
• Kupfer-Pour-Spannweite (SGW): Dies definiert, wie weit um die Leiterbahn herum der Kupfer-Pour über den Rand der Leiterbahn hinausgeht. In vielen praktischen Situationen kann dies als Unendlichkeit angesehen werden.

Sie haben wahrscheinlich bemerkt, dass die Dicke des Dielektrikums (H) nicht in dieser Liste steht; wir verwenden dies, um die Impedanz auf einen bestimmten Wert einzustellen. Es beeinflusst die Menge des Verlusts, wie ich in einem anderen Artikel über den Abstand zum Erdboden beschrieben habe. Der Wert von H erzeugt Resonanzen, und ich werde erklären, warum das wichtig ist, weiter unten. Die drei oben aufgeführten Parameter sind für praktische Zwecke viel wichtiger.

Die Hauptstruktur, die wir analysieren möchten, ist die GCPW in (c), da diese Struktur auf die anderen Strukturen reduziert werden kann. Zum Beispiel kann (c) durch Einstellen von VL auf Unendlich auf (b) reduziert werden, und (b) kann weiter auf (a) reduziert werden, indem die Substratdicke auf Unendlich genommen wird. Mit diesem Hintergrund im Kopf, schauen wir uns einige der Hauptergebnisse aus dem Papier an.

Steuern Sie S-Parameter, indem Sie VP und VL anpassen

Die Werte von VP und VL bestimmen, wann Resonanzen in der oben genannten GCPW-Struktur angeregt werden, und es sind diese Resonanzen, die bestimmen, ob große Einbrüche im S21-Spektrum auftreten werden. Obwohl in diesem Artikel nicht genügend Platz ist, um jede einzelne Parameteränderung im Papier durchzugehen, gibt es zwei Grafiken, die wunderschön veranschaulichen, wie VP und VL S21 aufgrund der zulässigen Resonanzen, die im Querschnitt angeregt werden können, beeinflussen.

In der untenstehenden Abbildung können wir sehen, dass die Reduzierung der Werte von VL und VP die Resonanzen in der Struktur zu höheren Frequenzen verschiebt. Wir können diese Ergebnisse im Hinblick auf die Resonanzen in der oben gezeigten Querschnittsstruktur erklären. Das im Graphen gezeigte Verhalten ist genau das, was wir erwarten würden; die Erhöhung der seitlichen Abmessungen der Kavität würde die Resonanzfrequenzen der Kavität verringern, daher würden wir erwarten, Spitzen und Täler in den S11- und S21-Daten bei niedrigeren Frequenzen zu sehen.

Hier ist die wichtige Richtlinie, die man aus den oben genannten Daten findet:

• Wenn Sie die Struktur verkleinern, können Sie die Resonanzen niedrigster Ordnung zu höheren Frequenzen erhöhen, und dies erhöht die Bandbreite in der Struktur. Dies erleichtert die Ausbreitung digitaler Signale in einem GCPW.

Denken Sie daran, dass die Bandbreiten digitaler Signale theoretisch bis ins Unendliche reichen. Daher möchten Sie so viel Bandbreite wie möglich in Ihrem Kanal haben, um Signalverzerrungen zu vermeiden. Die hochverlustreichen Täler in den obigen Grafiken bedeuten, dass jede in dem Signal bei diesen Frequenzen konzentrierte Leistung verloren gehen wird. Wenn wir uns das Leistungsspektrum eines Hochgeschwindigkeits-Digitalsignals als Beispiel ansehen, wird deutlich, dass schnellere Signale wahrscheinlich bei progressiv höheren Frequenzen in größeren Kanälen eine Bandbegrenzung erfahren werden, da das Leistungsspektrum des Signals mit den Anti-Resonanzen des Kanals überlappen könnte.

Reduzierung auf eine koplanare Wellenleitung ohne Masse

Ein anderer Weg, um die digitale Signalübertragung zu gewährleisten, besteht darin, die Vias vollständig zu entfernen. Es scheint also, wir haben zwei Extreme: Vias, die sehr eng beieinander und nahe an der Leiterbahn liegen, oder gar keine Vias! Im letzteren Fall wird der Abstand zwischen der Leiterbahn und der Masse die TEM-Grenzfrequenz festlegen, die die Bandbreite der Übertragungsleitung begrenzt.

Auf den ersten Blick scheint die Anpassung der VL- und SGW-Parameter wohl am wenigsten intuitiv, bis man darüber nachdenkt, wie das Ausbreiten des Kupfer-Pour-Via-Zauns die erlaubten Resonanzen beeinflusst. Es sollte aus den S-Parameter-Daten klar sein, dass das Ausbreiten des Kupfer-Pours (SGW → Unendlichkeit) und die Verwendung von keinen Ground-Vias die Leitung dazu bringt, im Grunde keine Resonanzen zu haben, bis man in die z-Achsen-Wellenausbreitungsrichtung schaut. In diesem Fall wird die Resonanz niedrigster Ordnung eine Wellenlänge von 2H/(√Dk) haben, wobei H die Dielektrikumdicke zwischen der Spur und der Masseebene ist. Für ein 10 mil Substrat mit Dk = 3, setzt das die erste Resonanz bei 346 GHz an!

Beachten Sie, dass die Leitungslänge und SGW Resonanzen beeinflussen werden, da sie eine resonante Kammer um die Leitung einschließen, aber in praktischen Situationen können diese sehr groß sein und können ignoriert werden. Als erster Ansatz für diese Designs, konzentrieren Sie sich darauf, VL und VP auf kleinere Werte einzustellen, um sicherzustellen, dass die Bandbreite maximiert wird.

Wie man zu einer kleinen Struktur kommt

Zusammenfassend kann ein GCPW digitale Signale übertragen, solange die S-Parameter keine übermäßige Signalverzerrung, Verluste oder Dämpfung verursachen. Was die Designrichtlinien für GCPW betrifft, die ein digitales Signal unterstützen, müssen wir die resonanzfreie Bandbreite mit den folgenden Richtlinien maximieren:

1. Versuchen Sie, VP so klein wie möglich zu machen. Dies ist schwierig, da Sie die Bohrergröße minimieren müssen (~6 mils), daher könnten Sie auf ein VP > 10-15 mil von Mitte zu Mitte Abstand beschränkt sein.
2. Versuchen Sie, VL so klein wie möglich zu machen. Dies ist ebenfalls schwierig, weil Sie die gleichen Ringabstände im Kupferguss freilassen müssen, wie Sie es bei einem regulären Via tun würden, daher könnten Sie auf ein VL > 10-15 mils beschränkt sein.

Wenn (1) und (2) durchgeführt werden können, können Sie Bandbreiten erreichen, die Dutzende von GHz erreichen. Dies wird durch die Ergebnisse in dem oben genannten Papier unterstützt. Dennoch sollten Sie Ihr eigenes Verbindungsdesign testen.

Die andere Option besteht darin, keine Vias in der umgebenden Kupferfläche zu platzieren und einfach Struktur (a) oder (b) zu verwenden. Wenn wir über die Ausbreitung nachdenken, wie sie von Resonanzen in der umgebenden koplanaren Struktur beeinflusst wird, sehen wir, dass Struktur (a) bis etwa 1 THz keine Resonanzen aufweist (unter der Annahme, dass der Abstand von Leiterbahn zu Kupferfläche = 5 mils beträgt), sodass sie die breiteste resonanzfreie Bandbreite hat. Allerdings hat (a) die geringste Abschirmungseffektivität. Für Struktur (b) gibt es keine Resonanzen bis zu

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