Recupera las pérdidas de conductor limpiando la capa de tierra de tu PCB

El enrutamiento de impedancia controlada a altas frecuencias es lo suficientemente difícil, y es importante asegurarse de permanecer dentro de su presupuesto de pérdidas en rutas largas o en medios con pérdidas. Cuando tienes que trazar una ruta larga o un par diferencial largo hacia un conector u otro componente, ¿qué puedes hacer si estás alcanzando el límite de tu presupuesto de pérdidas?

La mayoría de los diseñadores te dirán que simplemente uses un material alternativo de baja pérdida/RF que tenga un tangente de pérdida más baja siempre que las pérdidas sean excesivas en interconexiones de alta velocidad/alta frecuencia. ¿Qué más puedes hacer si las pérdidas son un problema en estas largas interconexiones?

Hay un truco que puedes usar con líneas de microstrip que es implementado por diseñadores de equipos/dispositivos 5G. Esta es una técnica que me fue descrita como enrutamiento de referencia saltado, o simplemente enrutamiento saltado. El nombre se refiere a saltarse las capas de referencia en el extremo de carga de una interconexión, modificando así la distribución del campo alrededor de una traza de microstrip y reduciendo las pérdidas totales. En este artículo, echaremos un vistazo a este método de enrutamiento y explicaremos cómo puede ayudar a recuperar algo del presupuesto de pérdidas en una interconexión con pérdidas.

¿Qué es el enrutamiento por salto?

El enrutamiento por salto implica despejar parte de la capa de tierra de PCB en la capa de referencia para una línea de transmisión microstrip en el extremo de carga de una ruta. Una vez que la señal viaja hacia la región con el despeje de tierra, la señal experimentará menores pérdidas. Esto ocurre porque el acto de desplazar el plano de la capa de tierra de PCB lejos de la traza modifica la distribución del campo alrededor de la línea de transmisión microstrip. De esta manera, la impedancia de la línea de transmisión ahora se referencia a la capa más cercana en el apilado siempre que las dos regiones de tierra estén configuradas al mismo potencial. La imagen a continuación muestra cómo funciona esto.

Cuando se despeja algo de tierra en la región debajo del componente de destino, ahora tienes que ajustar el ancho de la traza microstrip en la capa superficial para que puedas mantener una impedancia consistente. Cuando la traza entra en la región con la capa de tierra despejada, el ancho de la traza necesita ser ampliado dentro de la región despejada para establecer la impedancia en ambas regiones como igual. Esto te permite reducir las pérdidas totales de inserción en la región despejada sin crear nuevas pérdidas de retorno en la interfaz entre estas regiones. He incluido un pequeño estrechamiento en la región de transición, que idealmente debería ser eléctricamente corto (aproximadamente el 10% de la longitud de onda operativa para señales de RF).

Usando un Recorte de Tierra para Reducir las Pérdidas de Conductores

La pérdida experimentada por la señal dependerá de la densidad de líneas de campo alrededor de la línea microstrip, pero no necesariamente porque el tangente de pérdida cambie. Una vez que la capa de tierra más cercana se despeja debajo del microstrip y la traza se referencia a la siguiente capa de tierra, el ancho de la traza puede aumentarse cómodamente ya que esto ayudará a que la traza alcance su objetivo de impedancia.

¿Cómo podemos obtener alguna reducción de pérdida en esta traza sin cambiar de alguna manera el tangente de pérdida? La respuesta se encuentra en el efecto piel en el conductor. Al ensanchar el conductor para asegurar control de impedancia en la región de la capa de tierra despejada, las pérdidas por efecto piel se reducirán. Podemos ver esto si miramos una fórmula aproximada para la resistencia del efecto piel de un conductor con una sección transversal rectangular:

Dado que esto es solo un valor de resistencia, deberíamos poder ver que aumentar el ancho de la traza (W) aumentará el área transversal, y así la resistencia disminuirá. Esto ayuda a recuperar una pequeña cantidad de pérdidas resistivas y reactivas en la región donde el ancho de la traza es mayor.

Optando por Coplanar en Lugar de Usar Recortes de Tierra

Hasta ahora, solo he discutido lo que sucede cuando tenemos líneas de microstrip regulares. ¿Qué pasa si has diseñado con una guía de onda coplanar con tierra? La diferencia es que la relación entre el ancho y el grosor del dieléctrico será menor para una guía de onda coplanar cuando el espaciado entre el trazo y el plano de tierra es menor. Sin embargo, tienes otra palanca que puedes utilizar: el espaciado entre el trazo y su enrutamiento de tierra cercano.

Aquí, tenemos otra versión del enrutamiento saltado: donde cambiamos el espaciado que sale de la guía de onda coplanar y un microstrip. Si recuerdas un artículo anterior sobre distancias de seguridad de microstrip a tierra, notarás que acercar el enrutamiento de tierra al microstrip reduce su impedancia, por lo que podemos usar un trazo más delgado en una guía de onda coplanar que en un microstrip para el mismo grosor de sustrato.

El ejemplo a continuación muestra otra manera en la que podemos recuperar algunas pérdidas al transicionar de una guía de onda coplanar estrecha a un microstrip ancho. Si recuerdas mi artículo anterior sobre pérdidas en microstrip vs. guía de onda coplanar, notarás que la traza coplanar tendrá mayores pérdidas en el conductor de PCB para un chapado rugoso típico como ENIG. Esto se debe (en parte) a la modificación de las pérdidas de la línea microstrip por el chapado rugoso, lo que aumenta la magnitud del efecto piel. Al transicionar de la línea coplanar a un microstrip con un cono, el microstrip tendrá menores pérdidas que la sección coplanar.

En este ejemplo, no hemos eliminado ninguna de las tierras en la siguiente capa. En su lugar, solo limpiamos la tierra en la misma capa y luego ensanchamos la traza para mantener la impedancia. Algunas pérdidas adicionales se reducirían al optar por un chapado de plata por inmersión en lugar de ENIG, así como al retirar la máscara de soldadura de estas líneas ya que los materiales de máscara de soldadura LPI tienen un alto tangente de pérdida.

¿Qué pasa con el Dk efectivo?

Cuando la distancia desde el trazo hasta la capa de tierra aumenta, la distribución del campo cambiará y, por lo tanto, el valor de Dk efectivo que ve la señal que viaja por el trazo también cambiará. Uno podría preguntarse con razón: ¿qué sucede con el valor de Dk efectivo y cambia las pérdidas totales a lo largo del interconector?

Aunque es cierto que cambiar el ancho del trazo modifica la distribución del campo alrededor del trazo, solo cambia ligeramente la constante dieléctrica efectiva. Esto se debe a que la relación entre el ancho y el grosor del dieléctrico requerida para la impedancia controlada es solo ligeramente no lineal para un microstrip, por lo que duplicar el grosor del dieléctrico requiere casi duplicar el ancho del trazo para alcanzar la misma impedancia. Esto te devuelve al mismo valor de Dk efectivo para tus microstrips. Esto debería explicar por qué el tangente de pérdida no necesita cambiar para recuperar algunas pérdidas en tus interconectores.

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