Enrutamiento de guía de onda integrada en sustrato para PCBs de ondas milimétricas

Las aplicaciones de las señales mmWave solían estar limitadas a la defensa, pero ahora los sistemas mmWave se están volviendo más comunes. Puedes agradecer al radar de automóviles, radar de UAV, los próximos lanzamientos de 5G y la investigación actual sobre 6G por llevar la tecnología mmWave a la corriente principal. El enrutamiento con señales mmWave ha obligado a los diseñadores a repensar sus prácticas de enrutamiento y diseños de interconexión. Esto ha motivado a muchos grupos de investigación y empresas innovadoras a diseñar nuevas estructuras de interconexión que proporcionen un enrutamiento de baja pérdida en sustratos de PCB disponibles comercialmente.

La guía de onda coplanar con tierra (y sus variantes) es probablemente la estructura de interconexión más conocida entre los ingenieros de RF que trabajan con frecuencias de microondas. Una estructura de enrutamiento, llamada guía de onda integrada en sustrato, proporciona una alternativa útil que es ideal para ingeniar el campo electromagnético a lo largo de una interconexión. Gracias a personas como John Coonrod, es probable que esta tecnología se vuelva más popular entre los diseñadores de PCB de RF, ya que ofrece varias ventajas sobre otros diseños de interconexión. Vamos a echar un vistazo a esta estructura de guía de ondas única y sus ventajas para el enrutamiento mmWave.

¿Qué es una Guía de Onda Integrada en Sustrato?

Imagina un guíaondas rectangular metálico de estilo antiguo, que proporciona guía de ondas acústicas o electromagnéticas a través de la reflexión. Esta estructura simple puede implementarse en un PCB entre dos tiras paralelas de cobre. Las líneas de cobre de la pared lateral se forman a partir de plated through-hole vias, creando una estructura metálica que está llena de un dieléctrico. Este tipo de estructura se llama guíaonda integrada en sustrato.

Estas guías de onda son bastante simples de formar en un PCB; a continuación, se muestra un diagrama de un ejemplo de guíaonda. Aquí, la interconexión ocupa efectivamente dos capas, y un acoplador microstrip cónico en la capa superficial se puede utilizar para inyectar una señal en esta estructura.

Estructura de guíaonda integrada en sustrato

Estos sistemas funcionan de manera similar a las guías de onda rectangulares en el sentido de que tienen un conjunto de modos, que está definido por su geometría. Matemáticamente, el conjunto de autofunciones que describen la distribución espacial del campo electromagnético es el mismo que se utiliza para una guía de onda rectangular típica; cada autofunción tiene un número de onda y una longitud de onda específicos, que luego se combinan para formar y definir la distribución espacial del campo a lo largo de la guíaonda. El número de onda aproximado para un modo de propagación es (W y H son el ancho y la altura de la estructura, respectivamente):

Número de onda de propagación (aproximación) para un guía de onda dieléctrico equivalente.

En el caso de que los términos n y m sean demasiado grandes, entonces tu señal no podrá excitar un modo particular. Esto significa que la frecuencia de la señal y la geometría de la estructura determinarán qué modos se excitan.

Generalmente, puedes excitar el modo TE10 simplemente dimensionando el guía de onda para acomodar la frecuencia de señal deseada; todos los otros modos de orden superior decaerán y no se propagarán a través de la estructura. El número de onda para el modo TE10 es:

Número de onda de propagación para el modo TE10. El diseñador puede elegir omega, a, W, y d libremente con el fin de seleccionar modos específicos.

Aquí, el requisito estándar para proporcionar confinamiento en la estructura del guía de onda es que el espaciado de los vías (s) sea menor que el doble del diámetro de los vías (d), y que a sea mayor que 5 veces el diámetro de los vías. Se pueden derivar condiciones similares para excitar otros modos a una frecuencia deseada. Esto te permite ingeniar la distribución del campo que necesitas para una antena, acoplador, amplificador/resonador, u otro dispositivo RF pasivo.

Ventajas de los Guías de Onda Integrados en Substrato

La principal ventaja de un guíaondas integrado en sustrato es sus menores pérdidas en comparación con microstripes, striplines y guías de onda coplanares con tierra. Si estás trabajando en la banda Ka o por debajo, los microstripes y striplines ofrecen pérdidas similares a las guías de onda coplanares con tierra. Por encima de la banda Ka y profundizando en la banda V, las guías de onda coplanares con tierra ofrecen menores pérdidas, aunque la pérdida por inserción todavía alcanza los -6 dB y aumenta en 0.1 dB/GHz más allá de los 40 GHz. Consulta esta publicación de Jon Coonrod para una buena comparación de las pérdidas por inserción de microstrip, stripline y guía de onda coplanar con tierra.

Algunos estudios han demostrado que los interconectores de guíaondas integrados en sustrato ofrecen menores pérdidas hasta los 80 GHz en sustratos de baja pérdida disponibles comercialmente (por ejemplo, laminados de Rogers, Duroid o Isola). La pérdida por inserción puede bajar hasta aproximadamente -6 dB en la banda V/M banda (ver aquí para un ejemplo en una red experimental 5G), dependiendo del espaciado de vías utilizado en la estructura. Las bajas pérdidas en estas guías de onda las hacen ideales para su uso en diseño de cadena de señal RF, particularmente en circuitos donde la transmisión de alta potencia es crítica.

Este sistema es inherentemente abierto y puede actuar como una fuente de EMI radiada hacia circuitos cercanos. Proporcionar un confinamiento de campo adecuado en estas estructuras requiere espaciar adecuadamente las vías a lo largo de la longitud de la guía de onda, similar al caso de colocar una cerca de vías a lo largo del borde de una región de antena o el borde de una placa para suprimir resonancias de cavidad.

La capacidad de elegir qué modos se propagan a lo largo de la guía de onda hace que esta estructura sea ideal para diseñar acopladores multi-puerto de RF, antenas ranuradas antenas y otras estructuras pasivas de RF que dependen de la interferencia entre modos para la transferencia de campo entre estas estructuras. Si estás interesado en diseñar tu propia guía de onda integrada en sustrato, necesitarás usar un solucionador de campos electromagnéticos 3D, o seguir los resultados presentados por otros en la literatura. Para una guía rápida sobre el dimensionamiento de tus vías (diámetro y espaciado), consulta este artículo.

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