Exploitez le routage mmWave avec une ligne de transmission sélective de mode

Les PCB à haute vitesse poussent les débits de données vers la stratosphère, imposant des exigences de conception strictes sur les interconnexions pour assurer l'intégrité du signal et de faibles pertes. Dans un article précédent, j'ai discuté du routage de guide d'onde intégré au substrat pour les PCB RF comme une option pour le routage à haute fréquence. Ce type de ligne de transmission offre une excellente isolation et est utile pour des transitions simples vers des antennes, mais ce n’est pas la seule option pour le routage de conceptions à haute fréquence.

Une ligne de transmission sélective de mode est une variation d'une configuration de guide d'onde coplanaire pour router les signaux entre les composants à des fréquences très élevées. L'objectif en utilisant une ligne de transmission sélective de mode ou une autre géométrie est de fournir un routage à faible dispersion et à faible perte dans des bandes passantes spécifiques avec une propagation en mode unique. Dans cet article, je présenterai cette simple variation sur les guides d'onde coplanaires et comment vous pouvez utiliser des lignes de transmission sélectives de mode pour fournir un routage à haute isolation avec sélection de mode pour les applications RF.

Les Hautes Vitesses Comblent le Fossé avec la Conception RF

Que vous soyez concepteur numérique ou concepteur RF, la poussée des canaux numériques à haute vitesse vers des fréquences plus élevées oblige tout le monde à intégrer les concepts RF lors de la conception. John Coonrod, qui est l'un de mes intervenants préférés sur ce sujet important, déclare très élégamment que les concepts de conception RF seront cruciaux pour l'intégrité du signal numérique à mesure que nous nous approchons de temps de montée de 1 ps dans les applications pratiques. Mais qu'est-ce qui nous pousse exactement à atteindre les limites des géométries de traces standard, et que peut-on faire à ce sujet ?

Rappelez-vous, la trace standard sur PCB est une ligne de transmission TEM, ce qui signifie que l'onde qui se propage le long de la trace est approximativement une onde plane. Cela reste valable à basse fréquence jusqu'à ce que vous commenciez à atteindre des bandes passantes de plusieurs GHz (bien au-dessus des fréquences WiFi !). Lorsque vous atteignez des fréquences suffisamment élevées, vous commencerez à remarquer un comportement dans le champ électromagnétique qui découle entièrement de la propagation des ondes dans la structure. C'est là qu'une géométrie de ligne de transmission alternative pourrait être utile pour supprimer les modes d'ordre supérieur (non-TEM) et assurer la propagation au récepteur dans la bande passante souhaitée.

Routing Avec des Alternatives aux Lignes de Transmission TEM

Pour les raisons que j'ai énumérées ci-dessus, certaines géométries de guide d'ondes peuvent être plus idéales à des fréquences très élevées et pour des applications à très haut débit de données car elles peuvent être conçues pour permettre un routage en mode unique, ou plutôt elles empêchent l'excitation de modes non-TEM dans un guide d'ondes de PCB. Certaines de ces géométries de routage alternatives sont :

• Guide d'ondes intégré au substrat. Jetez un œil à cet article pour en savoir plus sur ces structures. Je les ai utilisées avec une fente à la surface pour se coupler à une bride de guide d'ondes micro-ondes conventionnelle.
• Guide d'ondes stripline coaxial. Ce style de guide d'ondes a une stripline routée à l'intérieur d'un guide d'ondes intégré au substrat, ce qui implique 3 couches au total. La paroi de via dans ce guide d'ondes fournit une isolation et permet une sélection de mode diversifiée.
• Ligne de transmission sélective de mode. Il s'agit d'une variation sur le routage de guide d'ondes coplanaire et offre beaucoup des mêmes avantages.

Si vous consultez la littérature de recherche, ces styles de routage alternatifs existent depuis longtemps et ont démontré leur faisabilité pour le routage jusqu'à des centaines de GHz. Ces structures de guide d'ondes sont simples à produire avec des techniques de fabrication standard, mais même elles ont des limites une fois que nous atteignons des fréquences extrêmement élevées. Parmi celles-ci, une ligne de transmission sélective de mode (MSTL) peut être facilement produite avec une géométrie de guide d'ondes coplanaire mise à la terre (GCPW) comme montré ci-dessous.

Comportement MSTL à Hautes Fréquences (Modes TE)

Les modes spécifiques qui seront excités dépendront de plusieurs facteurs, mais principalement cela dépend de la géométrie de l'interconnexion. En particulier, à mesure que les fréquences des signaux augmentent, les modes transversaux dans les pistes microstrip ou stripline conventionnelles seront excités, ce qui est indésirable pour le routage numérique et RF. C'est la raison pour laquelle nous nous heurtons aux limites d'intégrité du signal des lignes de transmission conventionnelles, surtout parce que nous sommes très limités par le processus de fabrication des PCB conventionnels. Pour les concepteurs qui ont besoin de router à des fréquences élevées en GHz, vous pouvez concevoir la structure GPCW pour qu'elle présente une structure MSTL si vous concevez un système RF, ou vous pourriez l'ingénier pour qu'elle ait une bande passante maximale pour un signal numérique si vous travaillez avec un système numérique à haute vitesse.

Pour comprendre comment cela se produit, jetez un œil au graphique ci-dessous. Ici, nous avons certains paramètres que nous pouvons utiliser pour contrôler les fréquences des modes dans cette structure. À basses fréquences, la structure se comportera comme un guide d'onde TEM simple parce que l'onde propagée est en dessous de la résonance. Au-dessus d'une certaine fréquence plus élevée, les modes dans la structure sont excités, conduisant à des pics et des creux dans les spectres des paramètres S. Chaque mode d'ordre supérieur dans la structure a une fréquence de coupure, et simplement exciter la structure au-dessus d'une coupure fera se propager le champ électromagnétique à travers la structure dans un mode non-TEM. Cette possibilité d'excitation de mode d'ordre supérieur est l'une des limites fondamentales des lignes de transmission TEM.

Si vous regardez la référence ci-dessus et cet article sur les signaux numériques dans les guides d'onde coplanaires, vous trouverez des données de paramètres S correspondantes qui aident à expliquer les pics de pertes de puissance montrés ci-dessus.

La raison pour laquelle tout cela se produit est la propagation des ondes à travers la structure, qui peut exciter la formation de modes sur un interconnect standard. Lorsque la fréquence porteuse d'une onde devient suffisamment élevée, elle pourrait exciter certains modes dans la structure de la ligne de transmission sur le PCB. Cela créera des pics et des creux dans les spectres de perte d'insertion et de perte de retour. Si vous avez un signal numérique, ces pics de perte de puissance vous indiquent que le signal pourrait être déformé. Pour un signal analogique, cela limite la fréquence du signal à des plages spécifiques où des pertes excessives et une distorsion ne se produiront pas.

Cela n'est-il pas juste un guide d'onde coplanaire mis à la terre ?

Oui ! Mais ce qui rend ce style de guide d'onde important, c'est la largeur par rapport à la longueur d'onde du signal porteur. L'espacement entre les vias est le mécanisme le plus important que vous utiliseriez pour contrôler la bande passante utile. Ce simple changement de largeur entre les vias n’est pas la seule différence entre un coplanaire mis à la terre et une ligne de transmission sélective de mode, mais c'est le point principal utilisé pour prédire l'excitation des modes et la rupture de la ligne de transmission TEM standard.

Pour comparer ce qui se passe lors du comportement GCPW et du comportement MSTL, jetez un œil au graphique suivant. Ce graphique montre ce qui arrive quand la fréquence d'un signal devient très élevée et provoque l'excitation de modes non-TEM. Le mode TEM ne crée pas d'excitation d'un champ magnétique longitudinal (Hz = 0 dans la rangée supérieure). À des fréquences plus élevées, nous avons maintenant l'excitation d'un mode TE, qui aura une composante de champ longitudinal.

Dans une microbande ou une stripline typique, vous finirez par exciter les modes de guide d'onde à plaques parallèles. Malheureusement, dans ces géométries, il n'y a aucun moyen de supprimer ces modes sauf à rendre le stratifié plus mince, ce qui finira par atteindre sa limite et n’est pas applicable dans tous les designs.

Comme montré ci-dessus, les guides d'onde ont des paramètres géométriques qui peuvent être ajustés pour permettre ou supprimer divers modes en sélectionnant la géométrie appropriée. La structure d'une ligne de transmission sélective de mode lui donne les caractéristiques suivantes :

• Haute isolation. C'est le principal avantage du routage dans tout guide d'onde, y compris une ligne de transmission sélective de mode. La clôture de vias à la masse le long du bord fournit une protection contre les autres traces.
• Suppression de mode.Les modes dans une ligne de transmission sélective de mode sont une combinaison d'un mode de guide d'onde intégré au substrat et d'un mode quasi-TEM pour le conducteur central. L'espacement des clôtures de via le long du bord peut être utilisé pour supprimer les modes de guide d'onde du substrat afin d'assurer une propagation en mode unique.
• Large bande à faible dispersion. En supprimant une onde de surface, vous avez assuré une dispersion plate jusqu'à une bande passante plus élevée que dans un microstrip ou une stripline. En maintenant la dispersion faible sur une bande passante plus large, il y a moins de distorsion et d'écart par rapport à l'impédance cible, ce qui supprime également l'interférence intersymbole vue au niveau d'un récepteur.

Router une ligne de transmission sélective de mode dans votre PCB

Router une géométrie de guide d'onde coplanaire comme une ligne de transmission sélective de mode nécessite le bon ensemble d'outils CAO. Voici une procédure simple pour router ces lignes :

1. Calculez l'impédance d'onde pour le mode désiré avec lequel vous travaillerez. Pour ce faire, calculez simplement la constante de propagation requise et utilisez l'équation standard d'impédance d'onde d'un manuel de conception RF.
2. Définissez le dégagement requis entre vos réseaux de ligne de transmission sélective de mode et tout polygone mis à la terre à proximité.
3. Remplissez la zone autour de vos réseaux routés avec du cuivre mis à la terre.
4. Placez des vias de liaison sur le polygone sélectionné pour atteindre vos cibles VL, VP et SGW.

La structure d'exemple ci-dessous est conçue pour fournir une impédance de 50 Ohms jusqu'à 127,2 GHz. Elle est routée sur du RO3003 de 30 mils pour offrir des caractéristiques de faible perte. Elle nécessite encore quelques vérifications de conception pour la fabrication (DFM) pour s'assurer qu'elle peut être fabriquée, mais l'espacement, les tailles de via et la séparation entre les parois des trous sont initialement appropriés pour que la structure fournisse une propagation d'onde à faible perte et à faible distorsion.

Cette géométrie de ligne de transmission a été démontrée pour permettre une transmission de données à des taux de terabits par seconde et elle pourrait bientôt devenir une partie cruciale du paysage de conception à haute vitesse. Dans l'exemple ci-dessus pour une ligne RF, si nous voulions exciter un mode spécifique dans la structure, nous pourrions changer VL et VP de sorte que la coupure du 1er mode soit à une fréquence plus basse. Pour en savoir plus sur la théorie des lignes de transmission sélectives de mode, lisez cet article de l'IEEE (cité ci-dessus).

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