Nutzen Sie mmWave-Routing mit einer modusselektiven Übertragungsleitung

Hochgeschwindigkeits-PCBs treiben die Datenraten in die Stratosphäre und stellen strenge Designanforderungen an Verbindungen, um Signalintegrität und geringe Verluste zu gewährleisten. In einem früheren Artikel habe ich das Routing mit substratintegrierten Wellenleitern für HF-PCBs als eine Option für Hochfrequenz-Routing diskutiert. Diese Art von Übertragungsleitung bietet eine ausgezeichnete Isolation und ist nützlich für einfache Übergänge zu Antennen, aber es ist nicht die einzige Option für das Routing von Hochfrequenz-Designs.

Eine modusselektive Übertragungsleitung ist eine Variation einer koplanaren Wellenleiterkonfiguration für das Routing von Signalen zwischen Komponenten bei sehr hohen Frequenzen. Das Ziel beim Einsatz einer modusselektiven Übertragungsleitung oder einer anderen Geometrie ist es, eine geringe Dispersion und geringe Verluste beim Routing in spezifischen Bandbreiten mit Einmoden-Ausbreitung zu bieten. In diesem Artikel werde ich diese einfache Variation von koplanaren Wellenleitern vorstellen und wie Sie modusselektive Übertragungsleitungen nutzen können, um ein Routing mit hoher Isolation und Modusauswahl für HF-Anwendungen zu ermöglichen.

Hochgeschwindigkeiten überbrücken die Lücke mit HF-Design

Egal, ob Sie ein Digitaldesigner oder ein HF-Designer sind, das Vordringen von Hochgeschwindigkeits-Digitalkanälen zu höheren Frequenzen zwingt jeden, sich während des Entwurfs mit HF-Konzepten auseinanderzusetzen. John Coonrod, der einer meiner liebsten Referenten zu diesem wichtigen Thema ist, stellt sehr eloquent fest, dass Konzepte aus dem HF-Design für die digitale Signalintegrität kritisch sein werden, da wir uns immer näher an Anstiegszeiten von 1 ps in praktischen Anwendungen heranbewegen. Aber was genau ist es, das uns dazu bringt, an die Grenzen der Standard-Leiterbahnengeometrien zu stoßen, und was kann dagegen unternommen werden?

Denken Sie daran, dass die Standard-PCB-Leiterbahn eine TEM-Übertragungsleitung ist, was bedeutet, dass die Welle, die entlang der Leiterbahn propagiert, ungefähr eine ebene Welle ist. Dies gilt bei niedrigen Frequenzen, bis Sie anfangen, mittlere GHz-Bandbreiten zu erreichen (weit über WiFi-Frequenzen!). Wenn Sie zu hohen Frequenzen gelangen, werden Sie anfangen, Verhaltensweisen im elektromagnetischen Feld zu bemerken, die vollständig aufgrund der Wellenausbreitung in der Struktur entstehen. Hier könnte eine alternative Übertragungsleitungsgeometrie nützlich sein, um höhergeordnete (nicht-TEM) Modi zu unterdrücken und die Ausbreitung zum Empfänger im gewünschten Bandbreitenbereich sicherzustellen.

Routing mit Alternativen zu TEM-Übertragungsleitungen

Aus den oben genannten Gründen können einige Wellenleitergeometrien bei sehr hohen Frequenzen und für Anwendungen mit sehr hohen Datenraten idealer sein, da sie so gestaltet werden können, dass sie eine Einmoden-Übertragung ermöglichen oder vielmehr die Anregung von nicht-TEM-Modi in einem PCB-Wellenleiter verhindern. Einige dieser alternativen Routing-Geometrien sind:

• Substratintegrierter Wellenleiter. Werfen Sie einen Blick auf diesen Artikel, um mehr über diese Strukturen zu erfahren. Ich habe diese mit einem Schlitz in der Oberfläche verwendet, um eine Kopplung an einen herkömmlichen Mikrowellen-Wellenleiterflansch zu ermöglichen.
• Koaxialer Streifenleiter-Wellenleiter. Dieser Wellenleiterstil hat einen Streifenleiter, der innerhalb eines substratintegrierten Wellenleiters verläuft, was insgesamt 3 Schichten umfasst. Die Durchkontaktierungswand in diesem Wellenleiter bietet Isolation und ermöglicht eine vielfältige Modenauswahl.
• Modenselektive Übertragungsleitung. Dies ist eine Variation der koplanaren Wellenleiter-Verlegung und bietet viele der gleichen Vorteile.

Wenn Sie in der Forschungsliteratur nachsehen, existieren diese alternativen Verdrahtungsstile schon seit langem und haben ihre Machbarkeit für das Routing bis zu hunderten von GHz bewiesen. Diese Wellenleiterstrukturen sind mit Standardfertigungstechniken einfach herzustellen, aber auch sie haben Grenzen, sobald wir zu extrem hohen Frequenzen gelangen. Unter diesen kann eine modusselektive Übertragungsleitung (MSTL) leicht mit einer geerdeten koplanaren Wellenleitergeometrie (GCPW) hergestellt werden, wie unten gezeigt.

MSTL-Verhalten bei hohen Frequenzen (TE-Modi)

Die spezifischen Modi, die angeregt werden, hängen von mehreren Faktoren ab, aber hauptsächlich von der Geometrie der Verbindung. Insbesondere, wenn die Signalfrequenzen zunehmen, werden die transversalen Modi in konventionellen Mikrostreifen- oder Streifenleiterbahnen angeregt, was sowohl für digitales als auch für RF-Routing unerwünscht ist. Das ist der Grund, warum wir an die Grenzen der Signalintegrität konventioneller Übertragungsleitungen stoßen, besonders weil wir durch den konventionellen PCB-Herstellungsprozess so eingeschränkt sind. Für die Designer, die bei hohen GHz-Frequenzen routen müssen, können Sie die GPCW-Struktur so konstruieren, dass sie eine MSTL-Struktur aufweist, wenn Sie ein RF-System entwerfen, oder Sie könnten sie so konstruieren, dass sie maximale Bandbreite für ein digitales Signal hat, wenn Sie mit einem Hochgeschwindigkeits-Digitalsystem arbeiten.

Um zu sehen, wie dies entsteht, werfen Sie einen Blick auf die Grafik unten. Hier haben wir einige Parameter, die wir nutzen können, um die Modenfrequenzen in dieser Struktur zu steuern. Bei niedrigen Frequenzen wird sich die Struktur wie ein einfacher TEM-Wellenleiter verhalten, da die sich ausbreitende Welle unterhalb der Resonanz liegt. Oberhalb einer höheren Frequenz werden die Moden in der Struktur angeregt, was zu Spitzen und Tälern im S-Parameter-Spektrum führt. Jeder höhergeordnete Modus in der Struktur hat eine Grenzfrequenz, und das einfache Anregen der Struktur oberhalb einer Grenzfrequenz wird dazu führen, dass sich das elektromagnetische Feld durch die Struktur in einem nicht-TEM-Modus ausbreitet. Diese Möglichkeit der Anregung höherer Ordnungsmoden ist eine der grundlegenden Grenzen von TEM-Übertragungsleitungen.

Wenn Sie sich die obige Referenz und diesen Artikel über digitale Signale in koplanaren Wellenleitern ansehen, finden Sie entsprechende S-Parameter-Daten, die die oben gezeigten Spitzen des Leistungsverlusts erklären.

Der Grund, warum all dies geschieht, ist die Wellenausbreitung durch die Struktur, die die Bildung von Moden auf einer standardmäßigen Verbindung anregen kann. Wenn die Trägerfrequenz einer Welle hoch genug wird, könnte sie einige Moden in der Übertragungsleitungsstruktur auf der PCB anregen. Dies wird Spitzen und Täler in den Spektren des Einfügungsdämpfungsverlusts und des Rückflussdämpfungsverlusts erzeugen. Wenn Sie ein digitales Signal haben, sagen Ihnen diese Leistungsverlustspitzen, dass das Signal verzerrt werden könnte. Bei einem analogen Signal begrenzt es die Frequenz des Signals auf spezifische Bereiche, in denen übermäßige Verluste und Verzerrungen nicht auftreten werden.

Ist das nicht einfach eine geerdete koplanare Wellenleitung?

Ja! Aber was diesen Typ von Wellenleiter wichtig macht, ist die Breite im Vergleich zur Wellenlänge des Trägersignals. Der Abstand zwischen den Vias ist der wichtigste Mechanismus, den Sie verwenden würden, um die nützliche Bandbreite zu steuern. Diese einfache Änderung in der Breite zwischen den Vias ist nicht der einzige Unterschied zwischen einer geerdeten koplanaren und einer modusselektiven Übertragungsleitung, aber es ist der Hauptpunkt, der zur Vorhersage der Anregung von Moden und dem Zusammenbruch der standardmäßigen TEM-Übertragungsleitung verwendet wird.

Um zu vergleichen, was während des GCPW-Verhaltens und des MSTL-Verhaltens passiert, werfen Sie einen Blick auf die folgende Grafik. Diese Grafik zeigt, was passiert, wenn die Frequenz eines Signals sehr hoch wird und die Anregung von nicht-TEM-Moden verursacht. Der TEM-Modus erzeugt keine Anregung eines longitudinalen magnetischen Feldes (Hz = 0 in der oberen Reihe). Bei höheren Frequenzen haben wir nun eine Anregung eines TE-Modus, der eine longitudinale Feldkomponente haben wird.

Bei einem typischen Mikrostreifen oder einer Streifenleitung werden schließlich die parallelen Plattenwellenleitermoden angeregt. Leider gibt es in diesen Geometrien keine Möglichkeit, diese Moden zu unterdrücken, außer das Laminat dünner zu machen, was letztendlich seine Grenzen erreicht und nicht in allen Designs anwendbar ist.

Wie oben gezeigt, haben Wellenleiter geometrische Parameter, die eingestellt werden können, um verschiedene Moden durch Auswahl der geeigneten Geometrie zu erlauben oder zu unterdrücken. Die Struktur einer modusselektiven Übertragungsleitung verleiht ihr die folgenden Eigenschaften:

• Hohe Isolation. Dies ist der primäre Vorteil der Verlegung in jedem Wellenleiter, einschließlich einer modusselektiven Übertragungsleitung. Der geerdete Via-Zaun entlang des Randes bietet Abschirmung von anderen Leiterbahnen.
• Modusunterdrückung.Modi in einer modusselektiven Übertragungsleitung sind eine Kombination aus einem Substrat-integrierten Wellenleitermodus und einem quasi-TEM-Modus für den Mittelleiter. Der Abstand der Durchkontaktierungsreihen entlang der Kante kann verwendet werden, um Substratwellenleitermodi zu unterdrücken und so eine Einmoden-Ausbreitung zu gewährleisten.
• Breitbandige geringe Dispersion. Durch die Unterdrückung einer Oberflächenwelle wird eine flache Dispersion bis zu einer höheren Bandbreite als bei einem Mikrostreifen oder einer Streifenleitung sichergestellt. Indem die Dispersion über eine breitere Bandbreite niedrig gehalten wird, gibt es weniger Verzerrung und Abweichung von der Zielimpedanz, was auch die bei einem Empfänger gesehene Intersymbol-Interferenz unterdrückt.

Routing einer modusselektiven Übertragungsleitung auf Ihrer Leiterplatte

Das Routing einer koplanaren Wellenleitergeometrie wie einer modusselektiven Übertragungsleitung erfordert den richtigen Satz an CAD-Werkzeugen. Hier ist ein einfaches Verfahren, um diese Leitungen zu routen:

1. Berechnen Sie die Wellenimpedanz für den gewünschten Modus, mit dem Sie arbeiten werden. Dazu berechnen Sie einfach die erforderliche Ausbreitungskonstante und verwenden die Standard-Wellenimpedanzgleichung aus einem RF-Design-Lehrbuch.
2. Legen Sie den erforderlichen Abstand zwischen Ihren modusselektiven Übertragungsleitungsnetzen und allen benachbarten geerdeten Polygonen fest.
3. Füllen Sie den Bereich um Ihre gerouteten Netze mit geerdetem Kupfer.
4. Platzieren Sie Stitching-Vias auf dem ausgewählten Polygon, um Ihre VL-, VP- und SGW-Ziele zu erreichen.

Die unten dargestellte Beispielstruktur ist darauf ausgelegt, eine Impedanz von 50 Ohm bis zu 127,2 GHz zu bieten. Sie wird auf 30 mil RO3003 verlegt, um niedrige Verlusteigenschaften zu gewährleisten. Es sind noch einige DFM-Prüfungen erforderlich, um sicherzustellen, dass sie gefertigt werden kann, aber der Abstand, die Via-Größen und die Trennung von Lochwand zu Lochwand sind zunächst angemessen für die Struktur, um eine Übertragung mit geringen Verlusten und geringer Verzerrung zu ermöglichen.

Es wurde gezeigt, dass diese Übertragungsleitungsgeometrie eine Datenübertragung von Terabit pro Sekunde ermöglicht und sie könnte bald ein kritischer Teil der Landschaft für Hochgeschwindigkeitsdesigns werden. Im obigen Beispiel für eine RF-Leitung könnten wir, wenn wir einen spezifischen Modus in der Struktur anregen wollten, VL und VP ändern, sodass der Cutoff des 1. Modus bei einer niedrigeren Frequenz liegt. Um mehr über die Theorie der modusselektiven Übertragungsleitungen zu erfahren, lesen Sie dieses Papier von IEEE (oben zitiert).

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