Aproveche el enrutamiento mmWave con una línea de transmisión selectiva de modo

Las PCB de alta velocidad están llevando las tasas de datos a la estratosfera, imponiendo estrictos requisitos de diseño en los interconectores para asegurar la integridad de la señal y bajas pérdidas. En un artículo anterior, discutí el enrutamiento de guía de onda integrada en sustrato para PCBs de RF como una opción para el enrutamiento de alta frecuencia. Este tipo de línea de transmisión proporciona una excelente aislación y es útil para transiciones simples a antenas, pero no es la única opción para el enrutamiento de diseños de alta frecuencia.

Una línea de transmisión selectiva de modo es una variación de una configuración de guía de onda coplanar para enrutamiento de señales entre componentes a frecuencias muy altas. El objetivo al usar una línea de transmisión selectiva de modo u otra geometría es proporcionar enrutamiento de baja dispersión y baja pérdida en bandas específicas con propagación de modo único. En este artículo, presentaré esta simple variación en guías de onda coplanares y cómo puedes usar líneas de transmisión selectivas de modo para proporcionar enrutamiento de alta aislación con selección de modo para aplicaciones de RF.

Altas Velocidades Cierran la Brecha con el Diseño de RF

Ya seas un diseñador digital o un diseñador de RF, el avance de los canales digitales de alta velocidad hacia frecuencias más altas está obligando a todos a adoptar conceptos de RF durante el diseño. John Coonrod, quien resulta ser uno de mis ponentes favoritos sobre este importante tema, afirma de manera muy elocuente que los conceptos del diseño RF serán críticos para la integridad de la señal digital a medida que nos acercamos cada vez más a tiempos de subida de 1 ps en aplicaciones prácticas. Pero, ¿qué es exactamente lo que nos está llevando al límite de las geometrías de trazas estándar, y qué se puede hacer al respecto?

Recuerda, la traza estándar de un PCB es una línea de transmisión TEM, lo que significa que la onda que se propaga a lo largo de la traza es aproximadamente una onda plana. Esto se mantiene a bajas frecuencias hasta que comienzas a alcanzar anchos de banda de GHz medios (¡muy por encima de las frecuencias de WiFi!). Cuando llegas a frecuencias suficientemente altas, comenzarás a notar comportamientos en el campo electromagnético que surgen enteramente debido a la propagación de ondas en la estructura. Aquí es donde una geometría de línea de transmisión alternativa podría ser útil para suprimir modos de orden superior (no TEM) y asegurar la propagación al receptor en el ancho de banda deseado.

Enrutamiento Con Alternativas a las Líneas de Transmisión TEM

Por las razones que enumeré anteriormente, algunas geometrías de guía de ondas pueden ser más ideales a frecuencias muy altas y para aplicaciones con tasas de datos muy altas, ya que pueden diseñarse para permitir el enrutamiento en modo único, o más bien, evitan la excitación de modos no TEM en una guía de ondas de PCB. Algunas de estas geometrías alternativas de enrutamiento son:

• Guía de ondas integrada en sustrato. Echa un vistazo a este artículo para aprender más sobre estas estructuras. He usado estas con una ranura en la superficie para acoplarse a una brida de guía de ondas de microondas convencional.
• Guía de ondas de línea de transmisión coaxial. Este estilo de guía de ondas tiene una línea de transmisión tipo stripline dentro de una guía de ondas integrada en sustrato, lo que implica un total de 3 capas. La pared de vía en esta guía de ondas proporciona aislamiento y permite la selección de diversos modos.
• Línea de transmisión selectiva de modo. Esta es una variación del enrutamiento de guía de ondas coplanar y ofrece muchas de las mismas ventajas.

Si miras en la literatura de investigación, estos estilos de enrutamiento alternativos han existido durante mucho tiempo y han demostrado su viabilidad para el enrutamiento hasta cientos de GHz. Estas estructuras de guía de ondas son simples de producir con técnicas de fabricación estándar, pero incluso ellas tienen límites una vez que llegamos a frecuencias extremadamente altas. Entre estos, una línea de transmisión selectiva de modo (MSTL) puede producirse fácilmente con una geometría de guía de ondas coplanar con tierra (GCPW) como se muestra a continuación.

Comportamiento de MSTL en Altas Frecuencias (Modos TE)

Los modos específicos que se exciten dependerán de varios factores, pero principalmente depende de la geometría de interconexión. En particular, a medida que las frecuencias de señal aumentan, se excitarán los modos transversales en trazas convencionales de microstrip o stripline, lo cual es indeseable tanto para el enrutamiento digital como para el RF. Esta es la razón por la que nos estamos encontrando con los límites de integridad de señal de las líneas de transmisión convencionales, especialmente porque estamos tan limitados por el proceso de fabricación de PCB convencional. Para los diseñadores que necesitan enrutamiento a altas frecuencias de GHz, pueden ingeniar la estructura GPCW para exhibir una estructura MSTL si están diseñando un sistema RF, o podrían ingeniarla para tener un ancho de banda máximo para una señal digital si están trabajando con un sistema digital de alta velocidad.

Para ver cómo surge esto, echa un vistazo al gráfico a continuación. Aquí tenemos algunos parámetros que podemos usar para controlar las frecuencias de modo en esta estructura. A bajas frecuencias, la estructura actuará como una guía de onda TEM simple porque la onda que se propaga está por debajo de la resonancia. Por encima de alguna frecuencia más alta, los modos en la estructura se excitan, lo que lleva a picos y valles en los espectros de parámetros S. Cada modo de orden superior en la estructura tiene una frecuencia de corte, y simplemente excitando la estructura por encima de un corte causará que el campo electromagnético se propague a través de la estructura en un modo no TEM. Esta posibilidad de excitación de modos de orden superior es uno de los límites fundamentales en las líneas de transmisión TEM.

Si miras la referencia anterior y este artículo sobre señales digitales en guías de onda coplanares, encontrarás datos de parámetros S correspondientes que ayudan a explicar los picos de pérdida de potencia mostrados arriba.

La razón por la que todo esto ocurre es la propagación de ondas a través de la estructura, lo cual puede excitar la formación de modos en un interconexión estándar. Cuando la frecuencia portadora de una onda es lo suficientemente alta, podría excitar algunos modos en la estructura de la línea de transmisión en el PCB. Esto creará picos y valles en los espectros de pérdida de inserción y pérdida de retorno. Si tienes una señal digital, estos picos de pérdida de potencia te indican que la señal podría distorsionarse. Para una señal analógica, limita la frecuencia de la señal a rangos específicos donde no ocurrirán pérdidas excesivas y distorsión.

¿No es esto simplemente una guía de onda coplanar con tierra?

¡Sí! Pero lo que hace importante a este estilo de guía de onda es el ancho comparado con la longitud de onda de la señal portadora. El espaciado entre los vías es el mecanismo más importante que usarías para controlar el ancho de banda útil. Este simple cambio en el ancho entre vías no es la única diferencia entre una coplanar con tierra y una línea de transmisión selectiva de modo, pero es el punto principal utilizado para predecir la excitación de modos y la ruptura de la línea de transmisión TEM estándar.

Para comparar lo que sucede durante el comportamiento de GCPW y MSTL, echa un vistazo al siguiente gráfico. Este gráfico muestra lo que sucede cuando la frecuencia de una señal es muy alta y provoca la excitación de modos no TEM. El modo TEM no crea excitación de un campo magnético longitudinal (Hz = 0 en la fila superior). A frecuencias más altas, ahora tenemos la excitación de un modo TE, que tendrá un componente de campo longitudinal.

En un microstrip o stripline típico, eventualmente excitarás los modos de guía de onda de placas paralelas. Desafortunadamente, en estas geometrías, no hay forma de suprimir estos modos excepto haciendo el laminado más delgado, lo cual eventualmente alcanzará su límite y no es aplicable en todos los diseños.

Como se muestra arriba, las guías de onda tienen parámetros geométricos que se pueden ajustar para permitir o suprimir varios modos seleccionando la geometría apropiada. La estructura de una línea de transmisión selectiva de modo le otorga las siguientes características:

• Aislamiento alto. Este es el principal beneficio del enrutamiento en cualquier guía de onda, incluyendo una línea de transmisión selectiva de modo. La valla de vías a tierra a lo largo del borde proporciona aislamiento de otras trazas.
• Supresión de modo.Los modos en una línea de transmisión selectiva de modo son una combinación de un modo de guía de onda integrado en el sustrato y un modo cuasi-TEM para el conductor central. El espaciado de la cerca de vías a lo largo del borde se puede utilizar para suprimir los modos de guía de onda en el sustrato y asegurar la propagación en un solo modo.
• Ancho de banda amplio con baja dispersión. Al suprimir una onda superficial, se asegura una dispersión plana hasta un ancho de banda más alto que en una microstrip o stripline. Al mantener baja la dispersión sobre un ancho de banda más amplio, hay menos distorsión y desviación de la impedancia objetivo, lo que también suprime la interferencia entre símbolos vista en un receptor.

Trazado de una Línea de Transmisión Selectiva de Modo en su PCB

El trazado de una geometría de guía de onda coplanar como una línea de transmisión selectiva de modo requiere el conjunto correcto de herramientas CAD. Aquí hay un procedimiento simple para trazar estas líneas:

1. Calcule la impedancia de onda para el modo deseado con el que trabajará. Para hacer esto, simplemente calcule la constante de propagación requerida y use la ecuación estándar de impedancia de onda de un libro de texto de diseño RF.
2. Establezca la separación requerida entre las redes de su línea de transmisión selectiva de modo y cualquier polígono aterrizado cercano.
3. Rellene el área alrededor de sus redes trazadas con cobre aterrizado.
4. Coloque vías de conexión en el polígono seleccionado para alcanzar sus objetivos de VL, VP y SGW.

La estructura de ejemplo a continuación está diseñada para proporcionar una impedancia de 50 Ohmios hasta 127.2 GHz. Está trazada en RO3003 de 30 mil para proporcionar características de baja pérdida. Aún necesita algunas verificaciones de DFM (Diseño para Fabricación) para asegurar que pueda ser fabricada, pero el espaciado, los tamaños de vía y la separación entre paredes de agujero son inicialmente adecuados para que la estructura proporcione una propagación de onda de baja pérdida y baja distorsión.

Se ha demostrado que esta geometría de línea de transmisión permite la transmisión de datos de terabits por segundo y pronto podría convertirse en una parte crítica del panorama de diseño de alta velocidad. En el ejemplo anterior para una línea RF, si quisiéramos excitar un modo específico en la estructura, podríamos cambiar VL y VP para que el corte del primer modo esté en una frecuencia más baja. Para aprender más sobre la teoría de las líneas de transmisión selectivas de modo, lea este artículo de IEEE (citado arriba).

Las funciones de enrutamiento interactivo y creación de apilado de capas en Altium Designer^® te brindan la libertad de diseñar cualquier tipo de interconexión que puedas imaginar. El Layer Stack Manager proporciona cálculos de impedancia altamente precisos para geometrías de trazas estándar, o puedes usar las herramientas CAD en el Editor de PCB para diseñar tus propias geometrías no estándar como líneas de transmisión selectivas de modo. Cuando estés listo para liberar tus archivos de fabricación de placas y dibujos a tu fabricante, la plataforma Altium 365^™ facilita la colaboración y el compartir tus proyectos.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible con Altium Designer en Altium 365. Echa un vistazo a nuestras opciones de licencia flexibles para Altium Designer + Altium 365 hoy.