Entwerfen Sie HF-Leiterplatten mit einem Rechner für koplanare Wellenleiter

Zachariah Peterson
|  Erstellt: February 1, 2021  |  Aktualisiert am: July 28, 2021
Entwerfen Sie HF-Leiterplatten mit einem Rechner für koplanare Wellenleiter

HF-Leiterplatten können komplexe Leiterplatten sein, die ein sorgfältiges Verbindungsdesign und -layout erfordern. Wenn Sie eine HF-Leiterplatte für Mikrowellen oder höhere Frequenzen entwerfen, sollte das Routing mit kontrollierter Impedanz an erster Stelle stehen, um die Signalintegrität zu gewährleisten. Es gibt unterschiedliche Routing-Stile, aus denen Sie wählen können, aber es ist wichtig, dass eine Isolierung gegen Rauschen und Übersprechen stattfindet.

Ein koplanarer Wellenleiter (coplanar waveguide, CPW) ist eine ausgezeichnete Wahl für HF-Leiterplatten, da er eine geringe Dispersion, eine hohe Isolation und weniger Verluste als Streifenleiter aufweist. Um koplanare Wellenleiter richtig zu entwerfen, benötigen Sie einen speziellen Wellenleiterrechner. Anstatt Lehrbücher oder komplexe Feldlöser zu verwenden, sollten Sie die umfassenden Funktionen für das Verbindungsdesign in Altium Designer nutzen. Hier erhalten Sie Zugriff auf einen einfachen Feldlöser, der in die Designtools für den PCB-Lagenstapel integriert ist sowie ein komplettes Routing-Toolset für Ihr Layout.

Altium Designer

Das beste PCB-Designpaket für Hochgeschwindigkeits-Digitaldesign und HF-Design.

HF-Layout und Routing ist eine Kunstform, die für Digitaldesigner immer wichtiger wird. Beim Layout einer Platine mit digitalen und HF-Bereichen muss die Isolierung zwischen verschiedenen Schaltungsblöcken durch intelligentes Floorplanning sichergestellt werden. Darüber hinaus müssen die Leiterbahnen sorgfältig verlegt werden, um sicherzustellen, dass sich die Rückpfade nicht kreuzen und somit keine Interferenzen entstehen. Die Einschränkungen bei HF-Platinen stellen selbst für erfahrene Digitaldesigner eine Herausforderung dar. Das Verlegen von koplanaren Wellenleitern ist eine Option, die diese Anforderungen erfüllt und darüber hinaus weitere Vorteile für HF-Leiterplatten bietet.

Beim Design und Routing von koplanaren Wellenleitern müssen Designer für eine strenge Impedanzkontrolle sorgen, insbesondere bei Mikrowellen- oder mmWave-Frequenzen. Wenn Ihre PCB-Designsoftware einen Rechner für koplanare Wellenleiter enthält, können Sie die richtige Breite und den richtigen Abstand in einer koplanaren Konfiguration als Teil des impedanzkontrollierten Routings bestimmen. Genau diese Möglichkeit erhalten Sie, wenn Sie die Tools in Altium Designer für HF-Verbindungsdesign und Routing verwenden.

Was ist ein Rechner für koplanare Wellenleiter?

Ein koplanarer Wellenleiter ist eine einfache Art des Routings, bei der eine Leiterbahn auf der Oberflächenlage verlegt und auf jeder Seite von einer Massefläche umgeben wird. Außerdem erfolgt das Routing über einer Masseebene, wodurch eine hohe Isolation im PCB-Layout erreicht wird. Zusätzlich kann ein Via-Fence verwendet werden, um die Massefläche wieder mit der Masseebene zu verbinden und so eine noch höhere Isolation zu erreichen; das wird als geerdeter koplanarer Wellenleiter bezeichnet. Beide Varianten sind unten dargestellt.

Designing a coplanar waveguide

Koplanares Wellenleiterdesign

Design eines koplanaren Wellenleiters

Um eine Impedanzkontrolle in Ihrer Leiterplatte zu implementieren, müssen Sie die Leiterbahnbreite bestimmen, die am besten zu Ihrem Design passt und sicherstellt, dass Ihre Leiterbahnimpedanz den richtigen Wert annimmt. An dieser Stelle wird der Wellenleiterrechner wichtig. Die Designer können hier üblicherweise die gewünschte Impedanz eingeben, und der Rechner ermittelt die Leiterbahnbreite, die benötigt wird, um dieses Impedanzziel zu erreichen.

Faktoren, die die Impedanz eines koplanaren Wellenleiters beeinflussen

Bei der Impedanzberechnung eines koplanaren Wellenleiters gibt es viele Faktoren, die die Impedanz, die Verluste und die Isolation des Wellenleiters beeinflussen:

  • Geometrie: Die Breite der zentralen Leiterbahn und der Abstand zwischen der Leiterbahn und der Massefläche bestimmen die Feldverteilung um die Leiterbahn. Diese bestimmt wiederum die Signalverluste und den Grad der Isolierung durch die Massefläche.
  • Dielektrizitätskonstante des Substrats: Die Dielektrizitätskonstante des Substrats hat eine Streuung, die die Höhe der Verluste bei verschiedenen Frequenzen bestimmt. Die Streuung bestimmt auch, wie unterschiedliche Frequenzen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten übertragen werden.
  • Kupferrauhigkeit: Bei hohen Frequenzen (Mikrowelle und mmWelle) erhöht die Kupferrauhigkeit die Impedanz einer Verbindung. Die meisten Online-Rechner berücksichtigen die Kupferrauhigkeit nicht.
  • Skin-Effekt: Der Skin-Effekt in einer Leiterbahn, einschließlich koplanare Wellenleiter, fügt der Gesamtimpedanz einen zusätzlichen Wechsel- und Gleichstromwiderstand hinzu.

Der beste Rechner für koplanare Wellenleiter berücksichtigt all diese Faktoren gleichzeitig und braucht dafür keinen komplexen 3D-Feldlöser. Die besten PCB-Designtools beinhalten wiederum diese Rechner, um den Designern zu helfen, die Impedanzkontrolle für ihre Signale über die gesamte erforderliche Bandbreite sicherzustellen.

  • Koplanare Wellenleiter, Streifenleitungen und Mikrostreifenleitungen, die eine Impedanzkontrolle erfordern, müssen so dimensioniert werden, dass die Breite die gewünschte charakteristische Impedanz ergibt.
  • Alle Dielektrika haben eine Streuung, und es ist wichtig zu verstehen, wie die Streuung die Signale in Ihrem PCB-Layout beeinflusst.

Erfahren Sie mehr über die Auswirkungen der Streuung in PCB-Substratmaterialien.

  • Kupferrauhigkeit ist ein unvermeidliches Problem in Leiterplattenverbindungen, auch bei koplanaren Wellenleitern. Der beste Rechner für koplanare Wellenleiter berücksichtigt die Kupferrauhigkeit bei der Dimensionierung von Leiterbahnen und der Bestimmung der Impedanz.

Coplanar waveguide routing in Altium Designer

Mit den leistungsstarken Routing-Tools in Altium Designer ist das Design von koplanaren Wellenleitergeometrien ganz einfach.

Koplanares Wellenleiter-Routing in Altium Designer

So verwenden Sie einen Rechner für koplanare Wellenleiter 

Ein Wellenleiterrechner arbeitet auf eine von zwei Arten. Entweder wird die gewünschte Impedanz bei einer bestimmten Frequenz verwendet, um die Wellenleiterbreite zu bestimmen, oder die Breite wird eingegeben und die Impedanz wird berechnet. In beiden Fällen müssen Sie Ihre Stackup-Informationen in den Rechner eingeben, um genaue Ergebnisse zu erhalten. Diese Rechner geben Ihnen auch die effektive Dielektrizitätskonstante, die von Signalen gesehen wird, die sich auf dem Wellenleiter ausbreiten.

Das Problem mit Online-Rechnern für koplanare Wellenleiter ist, dass sie Streuung, Kupferrauhigkeit, Skin-Effekte oder Verlusttangenten im Leiterplattensubstrat nicht berücksichtigen. Das Hauptproblem bei der Vernachlässigung der Streuung ist, dass es vorkommen kann, dass die bei einer Frequenz berechnete Impedanz bei einer anderen Frequenz nicht mehr korrekt ist. Daher sind diese Rechner nur für eine einzige Frequenz nützlich und können nicht für Breitband-Signale in realen Leiterplatten eingesetzt werden. Aus diesem Grund benötigen Designer für Hochfrequenz-Leiterplatten einen fortschrittlichen Rechner für koplanare Wellenleiter.

Funktionen eines fortschrittlichen Rechners für koplanare Wellenleiter 

Fortschrittliche Rechner für koplanare Wellenreiter berücksichtigen alle oben genannten Effekte bei der Berechnung der Impedanz und der effektiven Dielektrizitätskonstante des Wellenleiters. Darüber hinaus berücksichtigen sie die Dielektrizitätskonstante des Leiterplattensubstrats über die gesamte Bandbreite des Signals. Auf diese Weise erhalten Sie eine ultrapräzise Impedanz- und Breitenberechnung, die Sie dann in Ihren PCB-Layout- und Routing-Tools verwenden können.

  • Ihr Stackup bestimmt die dielektrischen, thermischen und strukturellen Eigenschaften Ihrer Leiterplatte. Darüber hinaus werden Ihre Lagenstapelinformationen von einem Wellenleiterrechner verwendet, um die beste Wellenleitergeometrie zu bestimmen.

Erfahren Sie von unserem Altium-Experten Francesco Poderico mehr über die Gestaltung des perfekten PCB-Stackups. 

  • Ihr Rechner für koplanare Wellenleiter verwendet auch die Position der Massebezugsebene als Teil der Impedanzberechnungen.
  • Sobald Sie zu sehr kleinen Geometrien und sehr hohen Frequenzen kommen, müssen Sie einen anderen Routing-Stil als bei koplanaren Wellenleitern in Betracht ziehen.

 

PCB stackup design and coplanar waveguide calculator in Altium Designer

Dimensionierung von Leiterbahnen für kontrollierte Impedanz mit dem Coplanar Waveguide Calculator von Altium Designer.

PCB-Stackup-Design und Rechner für koplanare Wellenleiter in Altium Designer

Altium Designer hat den besten Impedanzrechner 

Verwenden Sie keine Online-Rechner zur Dimensionierung Ihres Wellenleiters und zur Bestimmung der Impedanz. Der Impedanzrechner in Altium Designer ist in das Designtool für Ihren PCB-Lagenaufbau integriert und kann die Impedanz für viele Übertragungsleitungsgeometrien, einschließlich koplanarer Wellenleiter, berechnen. Sobald Sie die Impedanz Ihres Wellenleiters berechnet haben, wenden die interaktiven Routing-Funktionen in Altium Designer die Regeln für die Dimensionierung des Wellenleiters automatisch an.  

Komplettes HF-Leiterplattendesign und Layout in Altium Designer

Zusätzlich zu einem leistungsstarken Rechner für koplanare Wellenleiter haben Altium Designer-Anwender Zugriff auf ein komplettes Toolset für PCB-Layout- und Routing für fortgeschrittene Elektronik. Diese Routing-Funktionen übernehmen die Informationen direkt aus der Impedanzberechnung und dem Lagenaufbau und helfen Ihnen, bei der Erstellung Ihrer Leiterplatten produktiv zu bleiben. Sobald Ihr neues HF-Leiterplattenlayout fertig ist, können Sie die PCB-Fertigungsdaten für Ihren Hersteller vorbereiten. Nur Altium Designer enthält ein komplettes Toolset für PCB-Design, Layout und Fertigung.

  • Altium Designer baut auf leistungsstarken CAD-Tools auf und bietet Ihnen alles, was Sie für das Design, Layout, Routing und die Fertigung von HF-Leiterplatten und anderer moderner Elektronik benötigen.

Erfahren Sie mehr über das regelbasierte PCB-Design in Altium Designer.

  • Die Funktionen für das Design von Übertragungsleitungen in Altium Designer verwenden einen integrierten 3D-Feldlöser, um die Leiterbahnbreiten richtig zu dimensionieren. Dieser Feldlöser verwendet bekannte Modelle, die die Kupferrauhigkeit und Streuung in einem PCB-Substrat berücksichtigen.
  • Wenn Sie bereit sind, Ihre Designs mit Ihren Mitarbeitenden zu teilen, können Sie die Managed Content-Funktionen der Altium 365-Plattform nutzen. Dadurch erhalten Remote-Teams alle Funktionen, die sie für die Kontrolle, den Zugriff und die gemeinsame Nutzung von Designdaten benötigen.

Erfahren Sie mehr über die Altium 365-Plattform.

PCB design rule violation in Altium Designer

Erkennen Sie mit den regelbasierten Design-Tools in Altium Designer schnell Designfehler in Ihrem PCB-Layout.

PCB-Design Regelverletzung in Altium Designer

Führen Sie Verbindungsberechnungen nicht länger von Hand durch und verlassen Sie sich nicht auf unzureichende Online-Rechner. Verwenden Sie stattdessen die besten Tools für das Design und die Analyse von Verbindungen in Altium Designer – der einzigen Plattform, die Design, Layout, Fertigung und Analyse vereinheitlicht.

Altium Designer auf Altium 365 bietet eine beispiellose Integration für die Elektronikindustrie, die bisher der Welt der Softwareentwicklung vorenthalten war. So können Designer von zu Hause arbeiten und ein noch nie dagewesenes Maß an Effizienz erreichen.

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Über den Autor / über die Autorin

Über den Autor / über die Autorin

Zachariah Peterson verfügt über einen umfassenden technischen Hintergrund in Wissenschaft und Industrie. Vor seiner Tätigkeit in der Leiterplattenindustrie unterrichtete er an der Portland State University. Er leitete seinen Physik M.S. Forschung zu chemisorptiven Gassensoren und sein Ph.D. Forschung zu Theorie und Stabilität von Zufallslasern. Sein Hintergrund in der wissenschaftlichen Forschung umfasst Themen wie Nanopartikellaser, elektronische und optoelektronische Halbleiterbauelemente, Umweltsysteme und Finanzanalysen. Seine Arbeiten wurden in mehreren Fachzeitschriften und Konferenzberichten veröffentlicht und er hat Hunderte von technischen Blogs zum Thema PCB-Design für eine Reihe von Unternehmen verfasst. Zachariah arbeitet mit anderen Unternehmen der Leiterplattenindustrie zusammen und bietet Design- und Forschungsdienstleistungen an. Er ist Mitglied der IEEE Photonics Society und der American Physical Society.

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