Sollten Sie die Masse unter Impedanzanpassungsnetzwerken entfernen?

In einem Impedanzanpassungsnetzwerk besteht das Ziel darin, den Widerstand, die Kapazität und die Induktivität des Schaltkreises so anzupassen, dass die Leistungs- oder Spannungsübertragung auf eine Last maximiert wird. Die Kontrolle dieser Faktoren in einem Impedanzanpassungsschaltkreis auf einer PCB dreht sich alles um die Platzierung und Größe von Leiterbahnen und Masseflächen, sowie deren Anpassung an die Pads Ihrer diskreten Komponenten. Um zusätzliche Parasiten von der Padgröße und den Leiterbahnen, die zu diesen Komponenten führen, zu eliminieren, müssen Sie manchmal ändern, wo die Masse um die Komponenten des Impedanzanpassungsschaltkreises platziert wird.

Warum die Masse entfernt werden könnte

In vielen Systemen ist es üblich, Impedanzanpassungsschaltkreise aus diskreten Komponenten, üblicherweise SMD-Passiven, zu bauen. Manchmal, wenn die Masse unter einem Impedanzanpassungsnetzwerk entfernt wird, eliminieren wir nicht vollständig die Masse unter diesen Schaltkreisen. Dies liegt daran, dass die Zuleitungen, die in den Schaltkreis hinein- und aus ihm herausführen, eine Zielimpedanz (üblicherweise 50 Ohm) haben müssen, sodass die Masse im Gerät immer noch benötigt wird. Ihre Optionen zur Änderung der Platzierung der Masse umfassen:

• Die Verwendung von Masse auf einer unteren Schicht in der Leiterplatte und
• das Platzieren von koplanarer Masse um das Impedanzanpassungsnetzwerk

Der Grund dafür ist ganz einfach: Wir möchten die Menge an zusätzlicher parasitärer Kapazität und Induktivität um die Komponenten des Impedanzanpassungskreises reduzieren. Es ist allgemein bekannt, dass Parasiten die Leistung von realen passiven Bauteilen in Hochfrequenzschaltungen verändern und eine Grenze für den erwarteten Rückflussverlust an jedem Port setzen. Leider kann man diese Pad/Leiterbahnen-Kapazität bei SMD-Komponenten nie vollständig beseitigen, man kann nur versuchen, sie so weit wie möglich zu minimieren, damit die Schaltung so nah wie möglich an der theoretischen Leistung arbeitet.

Daher könnte es in einigen Fällen sinnvoll sein, die Platzierung der Masse um diese Komponenten herum zu ändern. Wir möchten sicherstellen, dass die Größen der Pads und Leiterbahnen auf den Komponenten keine übermäßige zusätzliche parasitäre Kapazität erzeugen, die die Impedanz der Kondensatoren und Induktoren im Impedanzanpassungsnetzwerk verändert.

Freigelegte Masse in einem RF-PCB-Layout

Das Beispiel unten aus unserem früheren nRF52-Projekt zeigt, wie der Boden freigelegt werden kann; der Pi-Filter-Abgleichkreis ist unten dargestellt. Beachten Sie, dass dies gut mit den Richtlinien des nRF52-Referenzboards von Nordic übereinstimmt. Hier wird ein koplanarer Boden bei L1 verwendet, und es gibt einen einheitlichen Boden unter dem Impedanzabgleichnetzwerk auf L6. Der Boden wird nur unterhalb des Abgleichnetzwerkbereichs entfernt und nur auf L2-L5.

Wenn wir oben schauen, haben die Komponentenpads eine gewisse Kapazität zurück zum Boden; dies fügt den diskreten Kondensatoren im Impedanzabgleichkreis Kapazität hinzu. Die gleiche Idee gilt für die Induktivität, die den Boden und die Leitungsinduktivität der Komponenten betrifft. Wie können wir den Boden entfernen, ohne die Leitungsimpedanz zu beeinflussen?

Zuerst können wir einen koplanaren Boden um die Leiterbahnen verwenden, um deren charakteristische Impedanz auf die Zielimpedanz einzustellen, die der Ausgang des Chips entspricht. Ein Polygon-Ausschnitt wird nur auf den internen Schichten unterhalb der Speiseleitung verwendet. Die untere Schicht hat eine einheitliche Kupferfläche unter dem Impedanzabgleichkreis. Die obere Schicht hat ebenfalls eine Kupferfläche, aber die Standardfreistellungsregel wurde um die Leiterbahnen und Pads auf diesen Netzen durchgesetzt, um die charakteristische Impedanz der Leiterbahnen auf den Zielwert einzustellen.

Jetzt schauen wir uns ein Beispiel an, gegeben das oben gezeigte Beispiel-Layout für RF.

Wie groß ist die Abweichung?

Um die Abweichung zu bestimmen, können wir den theoretischen Fall mit dem realen Fall vergleichen. Ursprünglich haben wir einen 0402 Kondensator und eine 0603 Induktivität. Wenn wir das Erdpotential direkt unter diesen Pads und den verbindenden Leiterbahnen hätten, wären die parasitären Effekte am Kondensator etwa 3 pF/Zoll und 7,5 nH/Zoll auf einem Dk = 4 Laminat. Mit der koplanaren Konfiguration und dem Erdpotential nur auf L6, wie oben gezeigt, fallen die parasitären Effekte auf etwa 2,75 pF/Zoll und 6,9 nH/Zoll. Wir können ähnliche Berechnungen für die Pads der Induktivität durchführen.

Die gesamte parasitäre Kapazität und Induktivität, gegeben die oben genannten verteilten Elementwerte, sind unten zusammengefasst. Beachten Sie, dass dies nur die Leiterbahnen um die Komponenten und die Pads berücksichtigt; es berücksichtigt nicht die Eigeninduktivität der Gehäuseanschlüsse.

Eine einfache Änderung der Masseposition von L2 zu L6 reduziert die parasitäre Kapazität um 22,4%. Mit diesen Werten ist es nun möglich, diese Parasitären in einer Simulation einzubeziehen und deren Auswirkung auf die Ausgangsimpedanz des Netzwerks zu bestimmen.

Die Berechnung der Induktivität ist etwas komplizierter, da sie einige Schleifeninduktivitäten um die Pads sowie Leitungsinduktivitäten umfasst, die beide nicht so leicht zu bestimmen sind. Die Eigeninduktivität der Leiterbahn in Serie mit der Induktivität spielt ebenfalls eine Rolle bei der Bestimmung der Gesamtinduktivität. Im Allgemeinen ist es nicht sicher, einfach anzunehmen, dass die modifizierte Induktivität die modifizierte Kapazität kompensiert.

Beachten Sie oben, dass ich eine Option für alle 0402-Komponenten anstelle der 0603-Induktivität eingefügt habe. Wir können sehen, dass es eine Reduktion der parasitären Kapazität von den Pads und Leiterbahnen gibt, einfach weil die 0603-Induktivität größere Pads als die 0402-Induktivität hat. Dieses modifizierte Beispiel wird unten gezeigt.

Wir erhalten mit dieser Anordnung etwas weniger parasitäre Kapazität, aber es ist nicht viel; es ist nur eine Reduktion um 6,8% im Vergleich zu den gemischten Paketgrößen. In all diesen verschiedenen Fällen ist es wichtig zu bestimmen, ob dies in Ihrem speziellen System eine Rolle spielt.

Macht diese Abweichung einen Unterschied?

Um zu bestimmen, ob diese parasitäre Kapazität und Induktivität wichtig sind, müssen wir die Werte mit den Komponentenwerten vergleichen, die im PCB-Layout platziert wurden.

Im Beispiel des nRF52 oben wurden Kondensatorwerte von 1,2 pF in dem Anpassungsnetzwerk verwendet. Mit einer zusätzlichen Kapazität von 0,4388 pF verhält sich dieses Netzwerk, als hätte es eine Gesamtkapazität von 2,8388 pF. Das Ergebnis ist eine Impedanzreduktion von etwa 5 Ohm von der Zielimpedanz. Nehmen wir für einen Moment an, dass der Schaltkreis ohne Parasiten perfekt auf 50 Ohm abgestimmt war; wenn wir dieses reale Impedanzanpassungsnetzwerk verwenden würden, um auf eine Zielimpedanz von 50 Ohm zu transformieren, wäre der resultierende Rückflussverlust S11 = -27,5 dB.

Was wäre, wenn unsere Kondensatoren 1,2 nF wären? In diesem Fall wäre die zusätzliche parasitäre Kapazität kaum bemerkbar und hätte keinen Effekt in unserem Pi-Filter. Allgemein gilt, wenn die zusätzliche parasitäre Kapazität viel kleiner als die diskrete Kapazität ist, dann kann sie ignoriert werden; das gleiche Prinzip gilt für die Induktivität.

Beachten Sie, dass dieses Design mit dem 0603-Induktor auf einer Kundenplatine getestet wurde und festgestellt wurde, dass es innerhalb der Spezifikationen funktioniert. Daher wäre ich komfortabel damit, dasselbe Netzwerk in diesem Projekt zu verwenden. Die oben skizzierten Punkte sollten jedoch berücksichtigt werden, wenn Sie dieses Design in Ihren eigenen Projekten verwenden möchten. Die oben genannten Konzepte sind ziemlich wichtig für praktische Komponenten, die im 1-6 GHz-Bereich arbeiten, wo Impedanzanpassungsnetzwerke erforderlich sind.

Der Grund, warum der Ground in Systemen, die im 1-6 GHz-Bereich arbeiten, möglicherweise öfter entfernt wird, liegt daran, dass die in diesen Impedanzanpassungsnetzwerken verwendeten Kondensatoren ziemlich klein sein können (~1 pF). Die ~1 pF diskrete Kapazität im Netzwerk ähnelt der erwarteten parasitären Kapazität um eine 50-Ohm-Leitung auf Dk ~ 4 Laminat. Diese parasitäre Kapazität existiert im Wesentlichen parallel zur diskreten Kapazität, und zusammen könnte dies die Anpassungsbedingung ändern.

Wo ist das Anpassungsnetzwerk bei höheren Frequenzen?

Bei Frequenzen, die höher als WiFi sind, sehen Sie möglicherweise keine Impedanzanpassungsnetzwerke an Ihren HF-Verbindungen, die für den Betrieb bei 50 Ohm vorgesehen sind. Es gibt zwei wichtige Gründe dafür:

• Die meisten RF-ICs werden ihr Impedanzanpassungsnetzwerk auf den Chip integrieren
• RF-Schaltungen oder Antennen werden speziell dafür gebaut, bei der Zielimpedanz zu arbeiten.

Nehmen wir als Beispiel Radartransceiver. Es gibt Millionen von Automobilen und Spezialsensoren, die diese Transceiver verwenden, und auf all diesen Platinen werden Sie keine Impedanzanpassungsnetzwerke auf der PCB sehen. In diesen Systemen kümmern wir uns um parasitäre Kapazitäten um die PCB herum, insbesondere bei leistungsstarken RF-Verstärkern, aber wir platzieren keine Impedanzanpassungsnetzwerke mit kleinen diskreten Komponenten auf der PCB, und wir räumen sicherlich keinen Grund unter den Antriebs- und Empfangspins.

Betrachten Sie nun die in Serie gespeiste Patch-Antenne, die bei ~77-78 GHz wie unten gezeigt arbeitet. Diese Antenne ist absichtlich so konzipiert, dass sie bei 50 Ohm arbeitet. Normalerweise könnte eine einzelne Patch-Antenne (oder einfache gedruckte Mikrostreifenantenne) eine Eingangsimpedanz von 200-300 Ohm haben. Der Grund, warum die unten gezeigte Antenne eine Eingangsimpedanz von 50 Ohm hat, liegt an ihrer kleinen Größe und durch die Verwendung von fraktionalen Wellenlängenanpassungsleitungen, um die Patches zu verbinden. Dies verleiht auch die breite Emissionsbandbreite, wie im Rückverlustdiagramm unten gezeigt.

Ich führe diese Beispiele an, um den folgenden wichtigen Punkt zu veranschaulichen: Seien Sie nicht überrascht, wenn Sie kein Impedanzanpassungsnetzwerk aus diskreten Komponenten sehen, wenn Ihr HF-System mit sehr hohen Frequenzen arbeitet. Diese Komponenten werden in der Regel einen Ground unter ihren TX- und RX-Pins aufweisen, sowie einen komplexeren Signalstart, der sich um den Montagepin auf der Leiterplatte befindet.

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