Routage de guide d'ondes intégré au substrat pour les PCBs en ondes millimétriques

Les applications des signaux mmWave étaient auparavant limitées à la défense, mais désormais, les systèmes mmWave deviennent plus courants. Vous pouvez remercier le radar automobile, le radar UAV, les prochains déploiements de la 5G et les recherches actuelles sur la 6G d'avoir introduit la technologie mmWave dans le grand public. Le routage avec des signaux mmWave a forcé les concepteurs à repenser leurs pratiques de routage et leurs conceptions d'interconnexion. Cela a motivé de nombreux groupes de recherche et entreprises innovantes à concevoir de nouvelles structures d'interconnexion qui fournissent un routage à faible perte sur des substrats de PCB disponibles dans le commerce.

Le guide d'onde coplanaire mis à la terre (et ses variantes) est probablement la structure d'interconnexion la plus connue parmi les ingénieurs RF qui travaillent avec des fréquences micro-ondes. Une structure de routage, appelée guide d'onde intégré au substrat, offre une alternative utile qui est idéale pour l'ingénierie du champ électromagnétique le long d'une interconnexion. Grâce à des personnes comme John Coonrod, cette technologie est susceptible de devenir plus populaire parmi les concepteurs de PCB RF car elle offre plusieurs avantages par rapport à d'autres conceptions d'interconnexion. Examinons cette structure de guidage d'onde unique et ses avantages pour le routage mmWave.

Qu'est-ce qu'un Guide d'Onde Intégré au Substrat ?

Imaginez un guide d'ondes rectangulaire métallique à l'ancienne, qui permet de guider des ondes acoustiques ou électromagnétiques par réflexion. Cette structure simple peut être mise en œuvre sur un PCB entre deux bandes parallèles de cuivre. Les lignes de cuivre des parois latérales sont formées à partir de trous métallisés traversants, créant une structure métallique qui est remplie d'un diélectrique. Ce type de structure est appelé un guide d'ondes intégré au substrat.

Ces guides d'ondes sont assez simples à former sur un PCB ; un schéma d'un exemple de guide d'ondes est montré ci-dessous. Ici, l'interconnexion occupe effectivement deux couches, et un coupleur microstrip effilé sur la couche de surface peut être utilisé pour injecter un signal dans cette structure.

Structure de guide d'ondes intégré au substrat

Ces systèmes fonctionnent de manière similaire aux guides d'ondes rectangulaires en ce sens qu'ils possèdent un ensemble de modes, qui est défini par leur géométrie. Mathématiquement, l'ensemble des fonctions propres décrivant la distribution spatiale du champ électromagnétique est le même que celui utilisé pour un guide d'ondes rectangulaire typique ; chaque fonction propre a un nombre d'onde et une longueur d'onde spécifiques, qui sont ensuite combinés pour former et définir la distribution spatiale du champ le long du guide d'ondes. Le nombre d'onde approximatif pour un mode de propagation est (W et H sont la largeur et la hauteur de la structure, respectivement):

Nombre d'onde de propagation (approximation) pour un guide d'onde diélectrique équivalent.

Dans le cas où les termes n et m sont trop grands, alors votre signal ne pourra pas exciter un mode particulier. Cela signifie que la fréquence du signal et la géométrie de la structure détermineront quels modes sont excités.

Généralement, vous pouvez exciter le mode TE10 simplement en dimensionnant le guide d'onde pour accommoder la fréquence de signal désirée ; tous les autres modes d'ordre supérieur décroîtront et ne se propageront pas à travers la structure. Le nombre d'onde pour le mode TE10 est :

Nombre d'onde de propagation pour le mode TE10. Le concepteur peut choisir omega, a, W, et d librement afin de sélectionner des modes spécifiques.

Ici, l'exigence standard pour fournir un confinement dans la structure du guide d'onde est que l'espacement des vias (s) soit inférieur au double du diamètre des vias (d), et que a soit supérieur à 5 fois le diamètre des vias. Des conditions similaires peuvent être dérivées pour exciter d'autres modes à une fréquence désirée. Cela vous permet d'ingénier la distribution de champ dont vous avez besoin pour une antenne, un coupleur, un amplificateur/résonateur, ou autre dispositif RF passif.

Avantages des guides d'onde intégrés au substrat

L'avantage principal d'un guide d'onde intégré sur substrat est ses pertes plus faibles comparées aux microbandes, lignes rubans et guides d'ondes coplanaires avec plan de masse. Si vous travaillez dans la bande Ka ou en dessous, les microbandes et lignes rubans présentent des pertes similaires à celles des guides d'ondes coplanaires avec plan de masse. Au-dessus de la bande Ka et profondément dans la bande V, les guides d'ondes coplanaires avec plan de masse présentent des pertes plus faibles, bien que la perte d'insertion atteigne toujours -6 dB et augmente de 0,1 dB/GHz au-delà de 40 GHz. Consultez cet article de Jon Coonrod pour une bonne comparaison des pertes d'insertion de microbande, ligne ruban, et guide d'onde coplanaire avec plan de masse.

Certaines études ont montré que les interconnexions de guide d'onde intégré sur substrat offrent des pertes plus faibles jusqu'à 80 GHz sur des substrats à faible perte disponibles dans le commerce (par exemple, les stratifiés Rogers, Duroid, ou Isola). La perte d'insertion peut descendre jusqu'à environ -6 dB dans la bande V/M bande (voir ici pour un exemple dans un réseau expérimental 5G), en fonction de l'espacement des vias utilisé dans la structure. Les faibles pertes dans ces guides d'ondes les rendent idéaux pour une utilisation dans la conception de chaînes de signaux RF, particulièrement dans les circuits où la transmission de haute puissance est critique.

Ce système est intrinsèquement ouvert et peut agir comme une source de rayonnement EMI vers les circuits avoisinants. Assurer un confinement adéquat du champ dans ces structures nécessite un espacement approprié des vias le long de la longueur du guide d'onde, similaire au cas où l'on place une clôture de vias le long de la bordure d'une région d'antenne ou du bord d'une carte pour supprimer les résonances de cavité.

La capacité de choisir quels modes se propagent le long du guide d'onde rend cette structure idéale pour la conception de coupleurs multi-ports RF, d'antennes à fentes et d'autres structures RF passives qui dépendent de l'interférence entre les modes pour le transfert de champ entre ces structures. Si vous êtes intéressé par la conception de votre propre guide d'onde intégré au substrat, vous aurez besoin d'utiliser un solveur de champ électromagnétique 3D, ou de suivre les résultats présentés par d'autres dans la littérature. Pour un guide rapide sur le dimensionnement de vos vias (diamètre et espacement), consultez cet article.

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