Pregunta de Altium Live: ¿Señales digitales en una guía de onda coplanar con tierra?

Durante mi reciente charla en AltiumLive 2022 CONNECT, hubo una pregunta muy interesante de la audiencia. Alguien preguntó si es posible pasar una señal digital a través de una guía de onda coplanar con tierra. Esta es una pregunta interesante que requiere mirar los parámetros S de la guía de onda, y eso es lo que veremos en esta publicación.

Durante la sesión de preguntas y respuestas, referencié un artículo en la literatura que contiene un conjunto de datos simulados y medidos de parámetros S para guías de onda coplanares con tierra, y mencioné que estos resultados podrían usarse para determinar la limitación de la propagación de señales digitales en una línea de transmisión coplanar. Para aquellos interesados, se puede encontrar un PDF de este artículo aquí:

• Sain, Arghya, y Kathleen L. Melde. "Impacto de la colocación de vías a tierra en interconexiones de guía de onda coplanar con tierra." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 6, no. 1 (2015): 136-144.

Tengo que admitir que nunca me habían preguntado de manera tan concisa si una guía de onda coplanar con tierra puede soportar una señal digital. Técnicamente, cualquier diseño de interconexión puede soportar cualquier señal digital siempre y cuando esté diseñado correctamente. La noción de "diseñado correctamente" varía según el tipo de línea de transmisión, y depende de los parámetros geométricos y de los parámetros del material del sustrato. Con eso en mente, veamos algunos resultados para una guía de onda coplanar con tierra típica del artículo mencionado anteriormente y veamos cómo estos predicen los desafíos en la propagación de señales en una guía de onda coplanar con tierra.

Parámetros S de GCPW y Señales Digitales

La clave para responder a esta pregunta requiere observar los parámetros S para una guía de onda coplanar con tierra (GCPW). Los parámetros S están influenciados por varios factores, a saber, la colocación de los vías, el espaciado hasta los planos y el cobre vertido, y la densidad de los vías. Si puedes simular o calcular los parámetros S para tu GCPW, entonces puedes determinar inmediatamente el ancho de banda de la señal digital que tu GCPW puede acomodar mientras transfiere energía a un receptor. La misma idea se aplica a cualquier otra interconexión, incluyendo otros arreglos coplanares.

El artículo que cito arriba realmente examina tres diferentes arreglos coplanares, que se muestran a continuación. Aquí tenemos los tres arreglos coplanares estándar: (a) coplanar sin plano de tierra, (b) coplanar con plano de tierra y (c) el GCPW estándar con la cerca de vías alineando el trazo.

La estructura relevante para analizar aquí es el GCPW en (c). Los mecanismos primarios utilizados para controlar los parámetros S en el GCPW son:

• Distancia de vía a trazo (VL): Esto establece las frecuencias resonantes correspondientes a la propagación de ondas a través de la sección transversal del trazo. Un espaciado mayor mueve las resonancias a frecuencias más bajas.
• Paso de vía (VP): Esto establece las frecuencias resonantes correspondientes a la dispersión desde las paredes de la vía; cuando estas resonancias cilíndricas se excitan, habrá un acoplamiento fuerte hacia el plano de tierra cercano y posiblemente interferencia destructiva a lo largo del trazo, lo que lleva a pérdida de potencia.
• Extensión del vertido de cobre (SGW): Esto define qué tan lejos alrededor del trazo el vertido de cobre se extiende más allá del borde del trazo. En muchas situaciones prácticas, esto puede considerarse como infinito.

Probablemente notaste que el grosor del dieléctrico (H) no está en esta lista; utilizamos esto para ajustar la impedancia a un valor específico. Sí afecta la cantidad de pérdida, como describí en otro artículo sobre la separación a tierra. El valor de H sí crea resonancias, y explicaré por qué eso es importante más abajo. Los tres parámetros mencionados arriba son mucho más importantes para fines prácticos.

La estructura principal que nos interesaría analizar es el GCPW en (c) ya que esta estructura se puede reducir a las otras estructuras. Por ejemplo, (c) se puede reducir a (b) estableciendo VL en infinito, y (b) se puede reducir aún más a (a) llevando el grosor del sustrato a infinito. Con esto en mente, veamos algunos de los principales resultados del documento.

Controlar los parámetros S ajustando VP y VL

Los valores de VP y VL determinarán cuándo se excitan las resonancias en la estructura GCPW anterior, y son estas resonancias las que determinan si ocurrirán grandes caídas en el espectro S21. Aunque no hay suficiente espacio en este artículo para revisar cada variación de parámetro en el documento, hay dos gráficos que ilustran bellamente cómo VP y VL afectan a S21 debido a las resonancias permitidas que pueden ser excitadas en la sección transversal.

En la imagen a continuación, podemos ver que reducir los valores de VL y VP empujará las resonancias en la estructura hacia frecuencias más altas. Podemos explicar estos resultados en términos de las resonancias en la estructura de sección transversal mostrada arriba. El comportamiento mostrado en el gráfico es exactamente lo que esperaríamos; aumentar las dimensiones laterales de la cavidad disminuiría las frecuencias resonantes de la cavidad, por lo tanto, esperaríamos ver picos y valles en los datos de S11 y S21 a frecuencias más bajas.

Aquí está la pauta importante que se encuentra a partir de los datos anteriores:

• Si haces la estructura más pequeña, puedes aumentar las resonancias de orden más bajo a frecuencias más altas, y esto aumenta el ancho de banda en la estructura. Esto facilita la propagación de señales digitales en un GCPW.

Recuerda, los anchos de banda de las señales digitales teóricamente se extienden hasta el infinito. Por lo tanto, quieres tener tanto ancho de banda en tu canal como sea posible para evitar la distorsión de la señal. Los valles de alta pérdida en los gráficos anteriores significan que cualquier potencia concentrada en la señal en esas frecuencias se perderá. Si observamos el espectro de potencia de una señal digital de alta velocidad como ejemplo, es claro que las señales más rápidas serán más propensas a experimentar limitación de banda en frecuencias progresivamente más altas en canales más grandes porque el espectro de potencia de la señal podría solaparse con las anti-resonancias del canal.

Reducción a una Guía de Onda Coplanar sin Tierra

La otra manera de asegurar la propagación de la señal digital es eliminar completamente los vías. ¡Así que parece que tenemos dos extremos: vías muy juntas y cerca del trazo, o sin vías en absoluto! En el último caso, la distancia entre el trazo y la tierra establecerá la frecuencia de corte TEM que limita el ancho de banda de la línea de transmisión.

A primera vista, ajustar los parámetros VL y SGW probablemente parece menos intuitivo, hasta que piensas en cómo afecta el esparcimiento de la cerca de vías de cobre en las resonancias permitidas. Debería ser claro a partir de los datos de los parámetros S que esparcir el cobre (SGW → infinito) y usar cero vías a tierra reduce la línea a tener básicamente cero resonancias hasta que mires en la dirección de propagación de onda en el eje z. En ese caso, la resonancia de orden más bajo tendrá una longitud de onda de 2H/(√Dk), donde H es el grosor del dieléctrico entre el trazo y el plano de tierra. ¡Para un sustrato de 10 mil con Dk = 3, eso pone la primera resonancia en 346 GHz!

Ten en cuenta que la longitud de la línea y SGW afectarán las resonancias ya que encierran una cavidad resonante alrededor de la línea, pero en situaciones prácticas estas pueden ser muy grandes y pueden ser ignoradas. Como un primer enfoque a estos diseños, enfócate en ajustar VL y VP a valores más pequeños para asegurar que el ancho de banda esté maximizado.

Cómo Llegar a una Estructura Pequeña

En resumen, un GCPW puede soportar la propagación de señales digitales siempre y cuando los parámetros S no generen distorsión de señal excesiva, pérdidas o atenuación. En cuanto a las pautas de diseño para un GCPW que soporte una señal digital, debemos maximizar el ancho de banda libre de resonancia con las siguientes directrices:

1. Intentar hacer que VP sea lo más pequeño posible. Esto es difícil ya que tienes que minimizar el tamaño del taladro (~6 mils), por lo que podrías estar limitado a un VP > 10-15 mils de distancia de centro a centro.
2. Intentar hacer que VL sea lo más pequeño posible. Esto también es difícil porque necesitas dejar los mismos espacios de anillo anular en el vertido de cobre que lo harías en un via normal, por lo que podrías estar limitado a un VL > 10-15 mils.

Si se pueden realizar (1) y (2), puedes esperar anchos de banda que alcancen decenas de GHz. Esto está respaldado por los resultados en el documento anterior. Sin embargo, aún deberías probar tu propio diseño de interconexión.

La otra opción es no colocar vías en el vertido de cobre circundante y simplemente usar la estructura (a) o (b). Si pensamos en la propagación tal como se ve afectada por las resonancias en la estructura coplanar circundante, vemos que la estructura (a) no tiene resonancias hasta aproximadamente 1 THz (asumiendo que el espaciado traza-a-vertido = 5 mils), por lo que tiene el ancho de banda libre de resonancias más amplio. Sin embargo, (a) tiene la efectividad de blindaje más baja. Para la estructura (b), no tiene resonancias hasta asumiendo que SGW = infinito, por lo tanto, también tiene un ancho de banda que alcanza cientos de GHz.

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