Domanda di Altium Live: Segnali digitali in una guida d'onda coplanare con terra?

Durante il mio recente intervento ad AltiumLive 2022 CONNECT, c'è stata una domanda molto interessante dal pubblico. Qualcuno ha chiesto se sia possibile far passare un segnale digitale attraverso un waveguide coplanare messo a terra. Questa è una domanda interessante che richiede di esaminare gli S-parametri del waveguide, ed è ciò che esamineremo in questo post.

Durante la sessione di Q&A, ho fatto riferimento a un articolo nella letteratura che contiene un insieme di dati S-parametri simulati e misurati per waveguides coplanari messi a terra, e ho menzionato che questi risultati potrebbero essere utilizzati per determinare la limitazione della propagazione del segnale digitale in una linea di trasmissione coplanare. Per coloro che sono interessati, un PDF di questo articolo può essere trovato qui:

• Sain, Arghya, e Kathleen L. Melde. "Impact of ground via placement in grounded coplanar waveguide interconnects." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 6, n. 1 (2015): 136-144.

Devo ammettere, non mi era mai stata posta in modo così conciso la domanda se una guida d'onda coplanare con messa a terra può supportare un segnale digitale. Tecnicamente, qualsiasi progetto di interconnessione può supportare qualsiasi segnale digitale purché sia progettato correttamente. La nozione di "progettato correttamente" varia a seconda del tipo di linea di trasmissione e dipende dai parametri geometrici e dai parametri del materiale del substrato. Con questo in mente, esaminiamo alcuni risultati per una tipica guida d'onda coplanare con messa a terra tratti dal documento sopra citato e vediamo come questi prevedono le sfide nella propagazione del segnale in una guida d'onda coplanare con messa a terra.

Parametri S della GCPW e Segnali Digitali

La chiave per rispondere a questa domanda richiede di esaminare i parametri S per una guida d'onda coplanare con messa a terra (GCPW). I parametri S sono influenzati da diversi fattori, in particolare la posizione dei via, la distanza dai piani e dal rame versato, e la densità dei via. Se puoi simulare o calcolare i parametri S per la tua GCPW, allora puoi immediatamente determinare la larghezza di banda del segnale digitale che la tua GCPW può accomodare mentre trasferisce energia a un ricevitore. La stessa idea si applica a qualsiasi altra interconnessione, inclusi altri arrangiamenti coplanari.

Il documento che cito sopra esamina in realtà tre diversi arrangiamenti coplanari, che sono mostrati di seguito. Qui abbiamo i tre arrangiamenti coplanari standard: (a) coplanare senza piano di massa, (b) coplanare con piano di massa e (c) il GCPW standard con la recinzione di via che delimita la traccia.

La struttura rilevante da analizzare qui è il GCPW in (c). I meccanismi primari utilizzati per controllare gli S-parametri nel GCPW sono:

• Distanza via-traccia (VL): Questo stabilisce le frequenze di risonanza corrispondenti alla propagazione d'onda attraverso la sezione trasversale della traccia. Un maggiore spaziamento sposta le risonanze verso frequenze più basse.
• Passo delle via (VP): Questo stabilisce le frequenze di risonanza corrispondenti alla diffusione dalle pareti delle via; quando queste risonanze cilindriche sono eccitate, ci sarà un forte accoppiamento con il terreno vicino e possibilmente interferenza distruttiva lungo la traccia, portando a perdita di potenza.
• Estensione del riporto di rame (SGW): Questo definisce quanto lontano attorno alla traccia si estende il riporto di rame oltre il bordo della traccia. In molte situazioni pratiche, questo può essere considerato infinito.

Probabilmente avrete notato che lo spessore dielettrico (H) non è presente in questa lista; lo utilizziamo per impostare l'impedenza su un valore specifico. Questo influisce sulla quantità di perdita, come ho descritto in un altro articolo sulla distanza di sicurezza da terra. Il valore di H crea risonanze, e spiegherò di seguito perché ciò è importante. I tre parametri elencati sopra sono molto più importanti per scopi pratici.

La principale struttura che ci interessa analizzare è il GCPW in (c) poiché questa struttura può essere ridotta alle altre strutture. Ad esempio, (c) può essere ridotto a (b) impostando VL all'infinito, e (b) può essere ulteriormente ridotto a (a) portando lo spessore del substrato all'infinito. Tenendo presente ciò, diamo un'occhiata ad alcuni dei principali risultati dello studio.

Controllare i parametri S regolando VP e VL

I valori di VP e VL determineranno quando le risonanze vengono eccitate nella struttura GCPW sopra menzionata, e sono queste risonanze a determinare se si verificheranno grandi cali nello spettro S21. Sebbene non ci sia abbastanza spazio in questo articolo per esaminare ogni singola variazione di parametro nel documento, ci sono due grafici che illustrano magnificamente come VP e VL influenzano S21 a causa delle risonanze consentite che possono essere eccitate nella sezione trasversale.

Nell'immagine qui sotto, possiamo vedere che riducendo i valori di VL e VP spingerà le risonanze nella struttura verso frequenze più alte. Possiamo spiegare questi risultati in termini di risonanze nella struttura trasversale mostrata sopra. Il comportamento mostrato nel grafico è esattamente ciò che ci aspetteremmo; aumentare le dimensioni laterali della cavità diminuirebbe le frequenze di risonanza della cavità, quindi ci aspetteremmo di vedere picchi e valli nei dati S11 e S21 a frequenze più basse.

Ecco la linea guida importante che si ricava dai dati sopra:

• Se si rende la struttura più piccola, si possono aumentare le risonanze di ordine più basso a frequenze più alte, e questo aumenta la larghezza di banda nella struttura. Ciò rende più facile per i segnali digitali propagarsi in un GCPW.

Ricorda, le larghezze di banda dei segnali digitali si estendono teoricamente all'infinito. Pertanto, vuoi avere quanta più larghezza di banda possibile nel tuo canale per prevenire la distorsione del segnale. Le valli ad alta perdita nei grafici sopra indicati significano che qualsiasi potenza concentrata nel segnale a quelle frequenze sarà persa. Se guardiamo lo spettro di potenza di un segnale digitale ad alta velocità come esempio, è chiaro che i segnali più veloci saranno più soggetti a limitazioni di banda a frequenze progressivamente più alte in canali più grandi perché lo spettro di potenza del segnale potrebbe sovrapporsi con le anti-risonanze del canale.

Riduzione a una Guida d'Onda Coplanare senza Terra

L'altro modo per garantire la propagazione del segnale digitale è rimuovere completamente i via. Quindi, sembra che abbiamo due estremi: via molto vicini tra loro e vicini alla traccia, o nessun via affatto! In quest'ultimo caso, la distanza tra la traccia e il terreno stabilirà la frequenza di taglio TEM che limita la larghezza di banda della linea di trasmissione.

A prima vista, regolare i parametri VL e SGW potrebbe sembrare poco intuitivo, fino a quando non si riflette su come l'allargamento della recinzione di via nel versamento di rame influisce sulle risonanze consentite. Dovrebbe essere chiaro dai dati sui parametri S che allargare il versamento di rame (SGW → infinito) e non utilizzare vie di terra riduce la linea ad avere praticamente nessuna risonanza fino a quando non si guarda nella direzione di propagazione dell'onda sull'asse z. In quel caso, la risonanza di ordine più basso avrà una lunghezza d'onda di 2H/(√Dk), dove H è lo spessore del dielettrico tra la traccia e il piano di massa. Per un substrato da 10 mil con Dk = 3, ciò pone la prima risonanza a 346 GHz!

Da notare che la lunghezza della linea e SGW influenzeranno le risonanze poiché racchiudono una cavità risonante attorno alla linea, ma in situazioni pratiche queste possono essere molto grandi e possono essere ignorate. Come primo approccio a questi progetti, concentrarsi sull'impostare VL e VP su valori più piccoli per garantire che la larghezza di banda sia massimizzata.

Come Arrivare a una Struttura Piccola

In sintesi, un GCPW può supportare la propagazione del segnale digitale finché i parametri S non creano distorsione del segnale, perdite o attenuazione eccessive. Per quanto riguarda le linee guida di progettazione per un GCPW che supporta un segnale digitale, dobbiamo massimizzare la larghezza di banda libera da risonanze con le seguenti indicazioni:

1. Cercare di rendere VP il più piccolo possibile. Questo è difficile poiché è necessario minimizzare le dimensioni del trapano (~6 mils), quindi si potrebbe essere limitati a VP > 10-15 mil di distanza da centro a centro.
2. Cercare di rendere VL il più piccolo possibile. Questo è anche difficile perché è necessario lasciare le stesse distanze di anello anulare nel versamento di rame che si lascerebbero in un via normale, quindi si potrebbe essere limitati a VL > 10-15 mils.

Se (1) e (2) possono essere eseguiti, si possono aspettare larghezze di banda che raggiungono decine di GHz. Questo è supportato dai risultati nel documento sopra. Tuttavia, dovresti comunque testare il tuo proprio design di interconnessione.

L'altra opzione è non posizionare vie nel riporto di rame circostante e utilizzare semplicemente la struttura (a) o (b). Se pensiamo alla propagazione così come è influenzata dalle risonanze nella struttura coplanare circostante, vediamo che la struttura (a) non presenta risonanze fino a circa 1 THz (assumendo una distanza traccia-riporto = 5 mils), quindi ha la banda passante libera da risonanze più ampia. Tuttavia, (a) ha l'efficacia di schermatura più bassa. Per la struttura (b), non presenta risonanze fino a che SGW = infinito, quindi ha anche essa una banda passante che raggiunge centinaia di GHz.

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