Verluste des Leiters wiederherstellen, indem Sie Ihre PCB-Masseebene bereinigen

Die kontrollierte Impedanzverlegung bei hohen Frequenzen ist schwierig genug, und es ist wichtig sicherzustellen, dass Sie innerhalb Ihres Verlustbudgets bei langen Strecken oder in verlustreichen Medien bleiben. Wenn Sie eine lange Leiterbahn oder ein langes differentielles Paar zu einem Stecker oder einem anderen Bauteil verlegen müssen, was können Sie tun, wenn Sie das Ende Ihres Verlustbudgets erreichen?

Die meisten Designer werden Ihnen sagen, einfach ein alternatives Material mit geringen Verlusten/RF zu verwenden, das eine geringere Verlust-tangente aufweist, wenn die Verluste bei Hochgeschwindigkeits-/Hochfrequenz-Verbindungen zu hoch sind. Was können Sie sonst noch tun, wenn Verluste bei diesen langen Verbindungen ein Problem darstellen?

Es gibt einen Trick, den Sie bei Mikrostreifenleitungen anwenden können, der von Designern von 5G-Geräten/Handsets implementiert wird. Dies ist eine Technik, die mir als Skip-Reference-Routing oder einfach Skip-Routing beschrieben wurde. Der Name bezieht sich darauf, Referenzebenen am Lastende einer Verbindung zu überspringen, wodurch die Feldverteilung um eine Mikrostreifenleitung modifiziert und die Gesamtverluste reduziert werden. In diesem Artikel werden wir uns diese Verlegemethode ansehen und erklären, wie sie dazu beitragen kann, etwas Verlustbudget in einer verlustreichen Verbindung zurückzugewinnen.

Was ist Skip Routing?

Skip Routing beinhaltet das Freiräumen einiger Bereiche der PCB-Masseebene in der Referenzebene für eine Mikrostreifen-Übertragungsleitung am Lastende einer Route. Sobald das Signal in die Region mit der Massefreistellung gelangt, wird das Signal geringere Verluste erfahren. Dies geschieht, weil das Verschieben der PCB-Masseebene weg von der Leiterbahn die Feldverteilung um die Mikrostreifen-Übertragungsleitung herum verändert. Auf diese Weise wird die Impedanz der Übertragungsleitung nun auf die nächstgelegene Ebene im Stapel bezogen, solange die beiden Massebereiche auf das gleiche Potential gesetzt sind. Das Bild unten zeigt, wie dies funktioniert.

Wenn Sie nun etwas Masse in der Region unterhalb der Zielkomponente freiräumen, müssen Sie die Breite der Mikrostreifen-Leiterbahn auf der Oberflächenschicht anpassen, damit Sie eine konsistente Impedanz aufrechterhalten können. Wenn die Leiterbahn in die Region mit der freigeräumten Masseebene eintritt, muss die Breite der Leiterbahn innerhalb der freigeräumten Region erweitert werden, um die Impedanz in beiden Regionen gleichzusetzen. Dies ermöglicht es Ihnen, die gesamten Einfügungsverluste in der freigeräumten Region zu reduzieren, ohne neue Rückflussverluste an der Schnittstelle zwischen diesen Regionen zu erzeugen. Ich habe einen kleinen Übergang in der Übergangsregion eingefügt, der idealerweise elektrisch kurz sein sollte (etwa 10% der Betriebswellenlänge für RF-Signale).

Verwendung eines Ground Cutouts zur Reduzierung von Leiterverlusten

Der Verlust, den das Signal erfährt, hängt von der Dichte der Feldlinien um die Mikrostreifenleitung ab, aber es liegt nicht unbedingt daran, dass sich der Verlustwinkel ändert. Sobald die nächstgelegene Masseebene unterhalb des Mikrostreifens entfernt und die Leiterbahn auf die nächste Masseebene bezogen wird, kann die Breite der Leiterbahn bequem erhöht werden, da dies der Leiterbahn hilft, ihr Impedanzziel zu erreichen.

Wie können wir eine Verlustreduktion in dieser Leiterbahn erreichen, ohne irgendwie den Verlustwinkel zu ändern? Die Antwort liegt im Skin-Effekt im Leiter. Durch die Verbreiterung des Leiters, um Impedanzkontrolle in der freigeräumten Masseebeneregion zu gewährleisten, werden die Verluste durch den Skin-Effekt reduziert. Wir können dies sehen, wenn wir uns eine ungefähre Formel für den Skin-Effekt-Widerstand eines Leiters mit rechteckigem Querschnitt ansehen:

Da dies nur ein Widerstandswert ist, sollten wir in der Lage sein zu erkennen, dass die Erhöhung der Leiterbahnbreite (W) die Querschnittsfläche erhöht und somit der Widerstand abnimmt. Dies hilft, einen kleinen Teil der resistiven und reaktiven Verluste in der Region zu erholen, wo die Leiterbahnbreite größer ist.

Koplanar gehen statt Ground Cutouts zu verwenden

Bisher habe ich nur besprochen, was passiert, wenn wir reguläre Mikrostreifenleitungen haben. Was passiert, wenn Sie mit einer geerdeten koplanaren Wellenleitung entworfen haben? Der Unterschied besteht darin, dass das Verhältnis von Breite zu Dielektrikumdicke bei einer koplanaren Wellenleitung kleiner sein wird, wenn der Abstand zwischen Leiterbahn und Massefläche geringer ist. Sie haben jedoch einen weiteren Hebel, den Sie betätigen können: den Abstand zwischen der Leiterbahn und ihrer benachbarten Masseverdrahtung.

Hier haben wir eine weitere Version des Skip-Routings: wo wir den Abstand ändern, der aus der koplanaren Wellenleitung und einem Mikrostreifen herauskommt. Wenn Sie sich an einen früheren Artikel über Mikrostreifenabstände zum Boden erinnern, werden Sie feststellen, dass das Heranführen der Masseverdrahtung an einen Mikrostreifen dessen Impedanz verringert, weshalb wir in einer koplanaren Wellenleitung eine dünnere Leiterbahn als bei einem Mikrostreifen für die gleiche Substratdicke verwenden können.

Das folgende Beispiel zeigt eine weitere Möglichkeit, wie wir einige Verluste durch den Übergang von einem schmalen koplanaren Wellenleiter zu einem breiten Mikrostreifen reduzieren können. Wenn Sie sich an meinen früheren Artikel über Mikrostreifen vs. koplanare Wellenleiterverluste erinnern, werden Sie feststellen, dass die koplanare Leiterbahn bei einer typisch rauen Beschichtung wie ENIG größere PCB-Leiterverluste aufweist. Dies liegt (teilweise) an der Modifikation der Verluste der Mikrostreifenleitung durch die aufgeraute Beschichtung, welche die Größe des Skin-Effekts erhöht. Durch den Übergang von der koplanaren Leitung zu einem Mikrostreifen mit einer Verjüngung werden die Verluste des Mikrostreifens geringer sein als die des koplanaren Abschnitts.

In diesem Beispiel haben wir keinen der Grounds auf der nächsten Schicht freigelegt. Stattdessen haben wir nur den Ground auf derselben Schicht freigelegt und dann die Leiterbahn verbreitert, um die Impedanz zu halten. Einige zusätzliche Verluste würden durch die Verwendung von Immersions-Silberbeschichtung anstelle von ENIG reduziert, sowie durch das Entfernen der Lötstopplacke von diesen Leitungen, da LPI-Lötstopplackmaterialien einen hohen Verlustfaktor haben.

Was ist mit effektivem Dk?

Wenn der Abstand von der Leiterbahn zur Masseebene vergrößert wird, ändert sich die Feldverteilung und somit auch der effektive Dk-Wert, den das Signal auf der Leiterbahn sieht. Man könnte sich zu Recht fragen: Was passiert mit dem effektiven Dk-Wert und ändert er die gesamten Verluste entlang der Verbindung?

Es ist zwar richtig, dass die Änderung der Leiterbahnbreite die Feldverteilung um die Leiterbahn herum modifiziert, aber sie ändert den effektiven Dielektrizitätskonstantenwert nur geringfügig. Dies liegt daran, dass das Verhältnis von Breite zu Dielektrikumdicke, das für eine kontrollierte Impedanz erforderlich ist, bei einem Mikrostreifen nur leicht nichtlinear ist, sodass eine Verdoppelung der Dielektrikumdicke sehr nahezu eine Verdoppelung der Leiterbahnbreite erfordert, um dieselbe Impedanz zu erreichen. Dies führt Sie zurück zum gleichen effektiven Dk-Wert für Ihre Mikrostreifen. Dies sollte erklären, warum der Verlustfaktor nicht geändert werden muss, um einige Verluste in Ihren Verbindungen zurückzugewinnen.

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