¿Debería eliminar la tierra debajo de las redes de adaptación de impedancias?

En una red de adaptación de impedancia, el objetivo es ajustar la resistencia, la capacitancia y la inductancia del circuito de tal manera que la transferencia de potencia o voltaje a una carga se maximice. Controlar estos factores alrededor de un circuito de adaptación de impedancia en un PCB se trata de la colocación y el dimensionamiento de pistas y tierra, así como de hacer que estos coincidan con los pads en sus componentes discretos. Para eliminar parásitos adicionales del tamaño del pad y las pistas que se conectan a estos componentes, a veces es necesario modificar dónde se coloca la tierra alrededor de los componentes del circuito de adaptación de impedancia.

Por Qué Se Podría Eliminar la Tierra

En muchos sistemas, es común construir circuitos de adaptación de impedancia a partir de componentes discretos, usualmente pasivos SMD. A veces, cuando se despeja la tierra debajo de una red de adaptación de impedancia, no estamos eliminando completamente la tierra debajo de estos circuitos. Esto se debe a que las líneas de alimentación que entran y salen del circuito necesitan tener una impedancia objetivo (usualmente 50 Ohmios), por lo que aún se necesita tierra en el dispositivo. Sus opciones para modificar la colocación de la tierra incluyen:

• Usar tierra en una capa inferior en el PCB, y
• Colocar tierra coplanar alrededor de la red de adaptación de impedancia

La razón para hacer esto es bastante simple: queremos reducir la cantidad de capacitancia e inductancia parasitaria adicional alrededor de los componentes del circuito de adaptación de impedancia. Es bien sabido que los parásitos modifican el rendimiento de los pasivos reales en circuitos de alta frecuencia, creando un límite en la pérdida de retorno esperada en cada puerto. Desafortunadamente, nunca puedes deshacerte de esta capacitancia de pad/rastro en componentes SMD, solo puedes intentar minimizarla para que el circuito opere lo más cerca posible del rendimiento teórico.

Por lo tanto, en algunos casos, podría tener sentido modificar dónde se coloca la tierra alrededor de estos componentes. Queremos asegurarnos de que los tamaños de los pads y rastros en los componentes no creen capacitancia parasitaria adicional excesiva que modifique la impedancia de los capacitores e inductores en la red de adaptación de impedancia.

Tierra despejada en un diseño de PCB RF

El ejemplo a continuación de nuestro anterior proyecto nRF52 muestra cómo se puede despejar la tierra; a continuación se muestra el circuito de adaptación del filtro pi. Note que esto coincide bien con las directrices de la placa de referencia nRF52 de Nordic. Aquí, se utiliza tierra coplanar en L1, y hay tierra uniforme debajo de la red de adaptación de impedancia en L6. La tierra solo se despeja debajo de la región de la red de adaptación, y solo en L2-L5.

Si miramos arriba, los pads de los componentes tienen cierta capacitancia de vuelta a tierra; esto añade capacitancia a los capacitores discretos en el circuito de adaptación de impedancia. La misma idea se aplica a la inductancia que involucra a tierra y la inductancia de los leads de los componentes. ¿Cómo despejamos la tierra sin impactar en la impedancia de la línea?

Primero, podemos usar tierra coplanar alrededor de las trazas para establecer su impedancia característica al valor de impedancia objetivo que coincide con la salida del chip. Se utiliza un recorte poligonal debajo de la línea de alimentación solo en las capas internas. La capa inferior tiene un vertido de cobre uniforme debajo del circuito de adaptación de impedancia. La capa superior también tiene vertido de cobre, pero se ha aplicado la regla de separación estándar alrededor de las trazas y pads en estas redes para establecer la impedancia característica de las trazas al valor objetivo.

Ahora veamos un ejemplo dado el diseño de RF mostrado arriba.

¿Cuán grande es la desviación?

Para determinar la desviación, podemos comparar el caso teórico con el caso real. Inicialmente, tenemos un capacitor 0402 y un inductor 0603. Si tuviéramos la tierra directamente debajo de estos pads y las trazas de conexión, los parásitos en el capacitor serían de aproximadamente 3 pF/pulgada y 7.5 nH/pulgada en laminado Dk = 4. Con la configuración coplanar y tierra solo en L6 mostrado arriba, los parásitos se reducen a aproximadamente 2.75 pF/pulgada y 6.9 nH/pulgada. Podemos realizar cálculos similares para los pads del inductor.

La capacitancia parásita total y la inductancia dada los valores de elementos distribuidos arriba se resumen a continuación. Note que esto solo tiene en cuenta las trazas alrededor de los componentes y los pads; no tiene en cuenta la autoinductancia de los leads del paquete.

Un simple cambio en la ubicación de tierra de L2 a L6 reduce la capacitancia parásita en un 22.4%. Con estos valores, ahora es posible incluir estas parasitarias en una simulación y determinar su efecto en la impedancia de salida de la red.

El cálculo de la inductancia es un poco más complicado porque involucra cierta inductancia de bucle alrededor de los pads así como inductancia de los conductores, ambas pueden no ser tan fáciles de determinar. La autoinductancia de la pista en serie con el inductor también juega un papel en la determinación de la inductancia total. En general, no es seguro asumir simplemente que la inductancia modificada compensa la capacitancia modificada.

Nota arriba que he incluido una opción para todos los componentes 0402 en lugar del inductor 0603. Podemos ver que hay una reducción en la capacitancia parásita de los pads y trazas simplemente porque el inductor 0603 tiene pads más grandes que el inductor 0402. Este ejemplo modificado se muestra a continuación.

Obtenemos un poco menos de capacitancia parásita con esta disposición, pero no es mucho; solo es una reducción del 6.8% en comparación con los tamaños de paquete mixtos. En todos estos diferentes casos, es importante ahora determinar si esto importará en su sistema particular.

¿Importa Esta Desviación?

Para determinar si esta capacitancia e inductancia parásitas son importantes, tenemos que comparar los valores con los valores de los componentes colocados en el diseño del PCB.

En el ejemplo del nRF52 mencionado anteriormente, los valores de los capacitores utilizados en la red de adaptación eran de 1.2 pF. Con una capacitancia adicional de 0.4388 pF, esta red actúa como si tuviera una capacitancia total de 2.8388 pF. El resultado es una reducción de impedancia de aproximadamente 5 Ohmios de la impedancia objetivo. Supongamos por un momento que el circuito sin parásitos estaba perfectamente adaptado a 50 Ohmios; si estuviéramos utilizando esta red de adaptación de impedancia real para transformar a una impedancia objetivo de 50 Ohmios, la pérdida de retorno resultante sería S11 = -27.5 dB.

¿Qué pasaría si nuestros capacitores fueran de 1.2 nF? En este caso, la capacitancia parásita adicional es apenas perceptible y no tendría ningún efecto en nuestro filtro pi. En general, si la capacitancia parásita adicional es mucho menor que la capacitancia discreta, entonces se puede ignorar; la misma idea se aplica a la inductancia.

Tenga en cuenta que este diseño con el inductor 0603 fue probado en una placa de cliente y se encontró que opera dentro de las especificaciones, por lo que me sentiría cómodo usando la misma red en este proyecto. Sin embargo, los puntos descritos anteriormente deben considerarse si desea usar este diseño en sus propios proyectos. Los conceptos mencionados son bastante importantes para componentes prácticos que operan en el rango de 1-6 GHz donde se requieren redes de adaptación de impedancia.

La razón por la cual el tierra podría eliminarse más a menudo en sistemas que operan en el rango de 1-6 GHz es que los capacitores utilizados en estas redes de adaptación de impedancia pueden ser bastante pequeños (~1 pF). Los ~1 pF de capacitancia discreta en la red son similares a la capacitancia parásita esperada alrededor de una línea de 50 Ohmios en laminado Dk ~ 4. Esta capacitancia parásita esencialmente existe en paralelo con la capacitancia discreta, y juntas podrían modificar la condición de adaptación.

¿Dónde está la Red de Adaptación a Frecuencias Más Altas?

A frecuencias superiores a WiFi, es posible que no vea ninguna red de adaptación de impedancia en sus interconexiones RF que estén destinadas a operar a 50 Ohmios. Hay dos razones importantes para esto:

• La mayoría de los circuitos integrados de RF incorporarán su red de adaptación de impedancia en el propio chip
• . Los circuitos de RF o antenas tienden a ser construidos específicamente para operar en la impedancia objetivo.

Tomemos como ejemplo los transceptores de radar. Hay millones de automóviles y sensores especializados que utilizan estos transceptores, y en todas esas placas, no verás ninguna red de adaptación de impedancia en el PCB. En estos sistemas, nos preocupamos por la capacitancia parásita alrededor del PCB, y en particular en los amplificadores de RF de alta potencia, pero no estamos colocando redes de adaptación de impedancia con pequeños componentes discretos en el PCB, y ciertamente no estamos despejando tierra debajo de los pines de transmisión y recepción.

Ahora considera la antena de parche alimentada en serie que opera aproximadamente a 77-78 GHz mostrada a continuación. Esta antena está diseñada intencionalmente para operar a 50 Ohms. Normalmente, una antena de parche individual (o una simple antena microstrip impresa) podría tener una impedancia de entrada de 200-300 Ohms. La razón por la que la antena mencionada tiene una impedancia de entrada de 50 Ohms se debe a su pequeño tamaño y al uso de líneas de adaptación de longitud de onda fraccionaria para conectar los parches. Esto también proporciona el ancho de banda de emisión amplio como se muestra en el gráfico de pérdida de retorno a continuación.

Menciono estos ejemplos para ilustrar el siguiente punto importante: no te sorprendas si no ves una red de adaptación de impedancia construida a partir de componentes discretos cuando tu sistema RF opera a frecuencias muy altas. Estos componentes generalmente incluirán tierra debajo de sus pines TX y RX, así como un lanzamiento de señal más complejo ubicado alrededor del pin de montaje en el PCB.

Cada vez que necesites diseñar un diseño de PCB RF con una red de adaptación de impedancia, asegúrate de usar el conjunto completo de herramientas de diseño y producción de PCB en Altium Designer®. Una vez que hayas terminado tu diseño de PCB y estés listo para compartir tus entregables de fabricación, puedes compartir fácilmente datos y liberar archivos a tu equipo con la plataforma Altium 365™.

Solo hemos arañado la superficie de lo que es posible con Altium Designer en Altium 365. Comienza tu prueba gratuita de Altium Designer + Altium 365 hoy.