Routing von Substratintegrierten Hohlleitern für mmWave-PCBs

Die Anwendungen von mmWave-Signalen waren früher auf die Verteidigung beschränkt, aber jetzt werden mmWave-Systeme immer häufiger. Man kann dem Autonarradar, UAV-Radar, den bevorstehenden Einführungen von 5G und der aktuellen Forschung an 6G dafür danken, dass die mmWave-Technologie in den Mainstream gebracht wurde. Das Routing mit mmWave-Signalen hat die Designer dazu gezwungen, ihre Routing-Praktiken und Verbindungsdesigns neu zu überdenken. Dies hat viele Forschungsgruppen und innovative Unternehmen motiviert, neue Verbindungsstrukturen zu entwerfen, die ein Routing mit geringen Verlusten auf kommerziell verfügbaren PCB-Substraten ermöglichen.

Die geerdete koplanare Wellenleitung (und ihre Varianten) ist wahrscheinlich die bekannteste Verbindungsstruktur unter HF-Ingenieuren, die mit Mikrowellenfrequenzen arbeiten. Eine Routingstruktur, die als substratintegrierte Wellenleitung bezeichnet wird, bietet eine nützliche Alternative, die ideal ist, um das elektromagnetische Feld entlang einer Verbindung zu steuern. Dank Leuten wie John Coonrod wird diese Technologie wahrscheinlich unter HF-PCB-Designern beliebter werden, da sie mehrere Vorteile gegenüber anderen Verbindungsdesigns bietet. Lassen Sie uns einen Blick auf diese einzigartige Wellenleitungsstruktur und ihre Vorteile für das mmWave-Routing werfen.

Was ist eine substratintegrierte Wellenleitung?

Stellen Sie sich einen altmodischen, metallischen, rechteckigen Wellenleiter vor, der die Führung von akustischen oder elektromagnetischen Wellen durch Reflexion ermöglicht. Diese einfache Struktur kann auf einer Leiterplatte zwischen zwei parallelen Kupferstreifen implementiert werden. Die Kupferlinien der Seitenwand werden aus durchkontaktierten Vias gebildet und schaffen eine metallische Struktur, die mit einem Dielektrikum gefüllt ist. Diese Art von Struktur wird als substratintegrierter Wellenleiter bezeichnet.

Diese Wellenleiter sind auf einer Leiterplatte recht einfach zu formen; ein Diagramm eines Beispielwellenleiters wird unten gezeigt. Hier nimmt die Verbindung effektiv zwei Schichten ein, und ein abgestufter Mikrostreifenkoppler auf der Oberflächenschicht kann verwendet werden, um ein Signal in diese Struktur einzuspeisen.

Struktur des substratintegrierten Wellenleiters

Diese Systeme funktionieren ähnlich wie rechteckige Wellenleiter, da sie eine Reihe von Modi haben, die durch ihre Geometrie definiert ist. Mathematisch ist die Menge der Eigenfunktionen, die die räumliche Verteilung des elektromagnetischen Feldes beschreiben, dieselbe wie die, die für einen typischen rechteckigen Wellenleiter verwendet wird; jede Eigenfunktion hat eine spezifische Wellenzahl und Wellenlänge, die dann kombiniert werden, um die räumliche Verteilung des Feldes entlang des Wellenleiters zu formen und zu definieren. Die angenäherte Wellenzahl für einen sich ausbreitenden Modus ist (W und H sind die Breite und Höhe der Struktur, jeweils):

Ausbreitungswellenzahl (Näherung) für einen äquivalenten dielektrischen Wellenleiter.

Wenn die Terme n und m zu groß sind, kann Ihr Signal keinen bestimmten Modus anregen. Das bedeutet, dass die Frequenz des Signals und die Geometrie der Struktur bestimmen, welche Modi angeregt werden.

Allgemein können Sie den TE10-Modus einfach anregen, indem Sie den Wellenleiter so dimensionieren, dass er die gewünschte Signalfrequenz aufnehmen kann; alle anderen höheren Modi werden abklingen und sich nicht durch die Struktur ausbreiten. Die Wellenzahl für den TE10-Modus ist:

Ausbreitungswellenzahl für den TE10-Modus. Der Designer kann Omega, a, W und d frei wählen, um spezifische Modi auszuwählen.

Hier ist die Standardanforderung, um Eingrenzung in der Wellenleiterstruktur zu gewährleisten, dass der Abstand der Vias (s) weniger als das Doppelte des Via-Durchmessers (d) beträgt und dass a mehr als das 5-fache des Via-Durchmessers sein soll. Ähnliche Bedingungen können für die Anregung anderer Modi bei einer gewünschten Frequenz abgeleitet werden. Dies ermöglicht es Ihnen, die Feldverteilung zu konstruieren, die Sie für eine Antenne, einen Koppler, einen Verstärker/Resonator oder ein anderes passives HF-Gerät benötigen.

Vorteile von substratintegrierten Wellenleitern

Der Hauptvorteil eines substratintegrierten Hohlleiters liegt in seinen geringeren Verlusten im Vergleich zu Mikrostreifen, Streifenleitungen und geerdeten koplanaren Wellenleitern. Wenn Sie im Ka-Band oder darunter arbeiten, bieten Mikrostreifen und Streifenleitungen ähnliche Verluste wie geerdete koplanare Wellenleiter. Oberhalb des Ka-Bandes und tief im V-Band bieten geerdete koplanare Wellenleiter geringere Verluste, obwohl der Einfügungsverlust immer noch -6 dB erreicht und um 0,1 dB/GHz über 40 GHz hinaus zunimmt. Schauen Sie sich diesen Beitrag von Jon Coonrod für einen schönen Vergleich der Einfügungsverluste von Mikrostreifen, Streifenleitungen und geerdeten koplanaren Wellenleitern an.

Einige Studien haben gezeigt, dass substratintegrierte Hohlleiterverbindungen bis zu 80 GHz auf kommerziell erhältlichen Substraten mit geringen Verlusten (z.B. Rogers, Duroid oder Isola-Laminate) geringere Verluste bieten. Der Einfügungsverlust kann im V-Band/M-Band auf etwa -6 dB sinken (siehe hier für ein Beispiel in einem experimentellen 5G-Netzwerk), abhängig vom verwendeten Abstand der Durchkontaktierungen in der Struktur. Die geringen Verluste in diesen Wellenleitern machen sie ideal für den Einsatz im RF-Signalpfaddesign, insbesondere in Schaltungen, bei denen eine hohe Leistungsübertragung kritisch ist.

Dieses System ist grundsätzlich offen und kann als Quelle von abgestrahlter EMI in benachbarte Schaltkreise wirken. Eine angemessene Feldbegrenzung in diesen Strukturen erfordert eine ordnungsgemäße Platzierung von Vias entlang der Länge des Wellenleiters, ähnlich dem Fall, wenn ein Via-Zaun entlang der Grenze eines Antennenbereichs oder des Randes einer Platine platziert wird, um Hohlraumresonanzen zu unterdrücken.

Die Fähigkeit, zu wählen, welche Modi entlang des Wellenleiters sich ausbreiten, macht diese Struktur ideal für das Design von RF-Mehrfachkopplern, geschlitzten Antennen und anderen passiven RF-Strukturen, die auf Interferenzen zwischen Modi für den Feldtransfer zwischen diesen Strukturen angewiesen sind. Wenn Sie daran interessiert sind, Ihren eigenen substratintegrierten Wellenleiter zu entwerfen, müssen Sie einen 3D-elektromagnetischen Feldlöser verwenden oder den in der Literatur präsentierten Ergebnissen anderer folgen. Für eine schnelle Anleitung zur Dimensionierung Ihrer Vias (Durchmesser und Abstand), sehen Sie sich diesen Artikel an.

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