Sfrutta il routing mmWave con una linea di trasmissione selettiva in modalità

Le PCB ad alta velocità stanno spingendo i tassi di trasmissione dati alle stelle, imponendo requisiti di progettazione stringenti sugli interconnettori per garantire l'integrità del segnale e basse perdite. In un articolo precedente, ho discusso del routing di guide d'onda integrate nel substrato per PCB RF come una delle opzioni per il routing ad alta frequenza. Questo tipo di linea di trasmissione offre un'eccellente isolamento ed è utile per transizioni semplici verso antenne, ma non è l'unica opzione per il routing di progetti ad alta frequenza.

Una linea di trasmissione selettiva di modo è una variazione su una configurazione di guida d'onda coplanare per il routing di segnali tra componenti a frequenze molto alte. L'obiettivo nell'usare una linea di trasmissione selettiva di modo o altre geometrie è quello di fornire un routing a bassa dispersione e bassa perdita in bande di frequenza specifiche con propagazione in modo singolo. In questo articolo, presenterò questa semplice variazione sulle guide d'onda coplanari e come potete utilizzare le linee di trasmissione selettive di modo per fornire un routing ad alta isolamento con selezione del modo per applicazioni RF.

Alte Velocità Colmano il Divario con il Design RF

Sia che tu sia un progettista digitale o un progettista RF, la spinta dei canali digitali ad alta velocità verso frequenze più elevate sta costringendo tutti ad adottare concetti RF durante la progettazione. John Coonrod, che si trova ad essere uno dei miei relatori preferiti su questo importante argomento, afferma con grande eloquenza che i concetti provenienti dalla progettazione RF saranno critici per l'integrità del segnale digitale man mano che ci avviciniamo sempre di più a tempi di salita di 1 ps nelle applicazioni pratiche. Ma cosa esattamente sta causando il raggiungimento dei limiti delle geometrie standard delle tracce e cosa si può fare al riguardo?

Ricorda, la traccia standard su PCB è una linea di trasmissione TEM, il che significa che l'onda che si propaga lungo la traccia è approssimativamente un'onda piana. Questo vale a basse frequenze fino a quando non si inizia a raggiungere larghezze di banda in mid-GHz (ben al di sopra delle frequenze WiFi!). Quando si arriva a frequenze abbastanza elevate, si inizierà a notare un comportamento nel campo elettromagnetico che sorge interamente a causa della propagazione dell'onda nella struttura. Qui è dove una geometria alternativa della linea di trasmissione potrebbe essere utile per sopprimere modi di ordine superiore (non-TEM) e garantire la propagazione al ricevitore nella banda desiderata.

Routing Con Alternative alle Linee di Trasmissione TEM

Per i motivi che ho elencato sopra, alcune geometrie di guida d'onda possono essere più ideali a frequenze molto alte e per applicazioni con tassi di trasmissione dati molto elevati poiché possono essere progettate per consentire il routing in modalità singola, o meglio, impediscono l'eccitazione di modi non-TEM in una guida d'onda su PCB. Alcune di queste geometrie di routing alternative sono:

• Guida d'onda integrata nel substrato. Dai un'occhiata a questo articolo per saperne di più su queste strutture. Le ho utilizzate con una fessura sulla superficie per accoppiarsi a una flangia di guida d'onda a microonde convenzionale.
• Guida d'onda stripline coassiale. Questo stile di guida d'onda ha una stripline instradata all'interno di una guida d'onda integrata nel substrato, che coinvolge in totale 3 strati. La parete di via in questa guida d'onda fornisce isolamento e consente una diversa selezione dei modi.
• Linea di trasmissione selettiva del modo. Questa è una variazione del routing di guida d'onda coplanare e offre molti dei medesimi vantaggi.

Se si guarda nella letteratura di ricerca, questi stili di routing alternativi esistono da molto tempo e hanno dimostrato la loro fattibilità per il routing fino a centinaia di GHz. Queste strutture di guida d'onda sono semplici da produrre con tecniche di fabbricazione standard, ma anche esse hanno dei limiti una volta che arriviamo a frequenze estremamente alte. Tra questi, una linea di trasmissione selettiva per modo (MSTL) può essere facilmente prodotta con una geometria di guida d'onda coplanare con messa a terra (GCPW) come mostrato di seguito.

Comportamento MSTL ad Alte Frequenze (Modi TE)

I modi specifici che vengono eccitati dipenderanno da diversi fattori, ma principalmente dipende dalla geometria dell'interconnessione. In particolare, man mano che le frequenze del segnale aumentano, verranno eccitati i modi trasversali nelle tracce microstrip o stripline convenzionali, il che è indesiderabile sia per il routing digitale che per quello RF. Questo è il motivo per cui ci stiamo scontrando con i limiti di integrità del segnale delle linee di trasmissione convenzionali, soprattutto perché siamo così limitati dal processo di fabbricazione PCB convenzionale. Per i progettisti che hanno bisogno di effettuare routing a frequenze GHz elevate, potete ingegnerizzare la struttura GPCW per esibire una struttura MSTL se state progettando un sistema RF, oppure potreste ingegnerizzarla per avere la massima larghezza di banda per un segnale digitale se state lavorando con un sistema digitale ad alta velocità.

Per capire come ciò si verifica, dai un'occhiata alla grafica qui sotto. Qui abbiamo alcuni parametri che possiamo utilizzare per controllare le frequenze dei modi in questa struttura. A basse frequenze, la struttura si comporterà come una semplice guida d'onda TEM perché l'onda in propagazione è al di sotto della risonanza. Al di sopra di una certa frequenza più alta, i modi nella struttura vengono eccitati, portando a picchi e valli nello spettro dei parametri S. Ogni modo di ordine superiore nella struttura ha una frequenza di taglio, e semplicemente eccitando la struttura al di sopra di una frequenza di taglio causerà la propagazione del campo elettromagnetico attraverso la struttura in un modo non-TEM. Questa possibilità di eccitazione dei modi di ordine superiore è uno dei limiti fondamentali sulle linee di trasmissione TEM.

Se guardi il riferimento sopra e questo articolo sui segnali digitali nelle guide d'onda coplanari, troverai dati corrispondenti sui parametri S che aiutano a spiegare i picchi di perdita di potenza mostrati sopra.

Il motivo per cui tutto ciò si verifica è la propagazione dell'onda attraverso la struttura, che può eccitare la formazione di modi su un collegamento intermedio standard. Quando la frequenza portante di un'onda diventa abbastanza alta, potrebbe eccitare alcuni modi nella struttura della linea di trasmissione nel PCB. Questo creerà picchi e valli negli spettri di perdita di inserzione e di ritorno. Se hai un segnale digitale, questi picchi di perdita di potenza indicano che il segnale potrebbe distorcersi. Per un segnale analogico, limita la frequenza del segnale a intervalli specifici dove eccessive perdite e distorsioni non si verificheranno.

Non è Semplicemente una Guida d'Onda Coplanare con Terra?

Sì! Ma ciò che rende importante questo stile di guida d'onda è la larghezza rispetto alla lunghezza d'onda del segnale portante. Lo spazio tra i via è il meccanismo più importante che utilizzeresti per controllare la larghezza di banda utile. Questo semplice cambiamento nella larghezza tra i via non è l'unica differenza tra una guida d'onda coplanare con terra e una linea di trasmissione selettiva di modo, ma è il punto principale utilizzato per prevedere l'eccitazione dei modi e il cedimento della linea di trasmissione TEM standard.

Per confrontare cosa succede durante il comportamento GCPW e MSTL, osserva la seguente grafica. Questa grafica mostra cosa succede quando la frequenza di un segnale diventa molto alta e causa l'eccitazione di modi non-TEM. La modalità TEM non crea eccitazione di un campo magnetico longitudinale (Hz = 0 nella riga superiore). A frequenze più alte, abbiamo ora l'eccitazione di una modalità TE, che avrà una componente di campo longitudinale.

In una tipica microstriscia o stripline, alla fine ecciterai i modi della guida d'onda a piastre parallele. Sfortunatamente, in queste geometrie, non c'è modo di sopprimere questi modi se non rendendo il laminato più sottile, il che alla fine raggiungerà il suo limite e non è applicabile in tutti i progetti.

Come mostrato sopra, le guide d'onda hanno parametri geometrici che possono essere sintonizzati per permettere o sopprimere vari modi selezionando la geometria appropriata. La struttura di una linea di trasmissione selettiva per modo le conferisce le seguenti caratteristiche:

• Alta isolamento. Questo è il principale vantaggio del routing in qualsiasi guida d'onda, inclusa una linea di trasmissione selettiva per modo. La recinzione di via messa a terra lungo il bordo fornisce schermatura da altre tracce.
• Soppressione del modo.Le modalità in una linea di trasmissione selettiva di modalità sono una combinazione di una modalità di guida d'onda integrata nel substrato e una modalità quasi-TEM per il conduttore centrale. Lo spazio tra i via lungo il bordo può essere utilizzato per sopprimere le modalità di guida d'onda del substrato per garantire la propagazione in modalità singola.
• Larga banda a bassa dispersione. Sopprimendo un'onda superficiale, si garantisce una dispersione piatta fino a una larghezza di banda superiore rispetto a un microstrip o a una stripline. Mantenendo bassa la dispersione su una banda più ampia, si ha meno distorsione e deviazione dall'impedenza target, il che sopprime anche l'interferenza intersimbolica vista in un ricevitore.

Routing di una Linea di Trasmissione Selettiva di Modalità nel Tuo PCB

Effettuare il routing di una geometria di guida d'onda coplanare come una linea di trasmissione selettiva di modalità richiede il giusto set di strumenti CAD. Ecco una procedura semplice per tracciare queste linee:

1. Calcolare l'impedenza d'onda per la modalità desiderata con cui si lavorerà. Per fare ciò, calcolare semplicemente la costante di propagazione richiesta e utilizzare l'equazione standard dell'impedenza d'onda da un libro di testo di progettazione RF.
2. Impostare la distanza di sgombro richiesta tra le tue reti di linea di trasmissione selettiva di modalità e qualsiasi poligono a terra vicino.
3. Riempire l'area intorno alle tue reti tracciate con rame collegato a terra.
4. Posizionare i via di collegamento sul poligono selezionato per raggiungere i tuoi obiettivi VL, VP e SGW.

La struttura di esempio qui sotto è progettata per fornire un'impedenza di 50 Ohm fino a 127,2 GHz. È tracciata su RO3003 da 30 mil per fornire caratteristiche di bassa perdita. Richiede ancora alcuni controlli DFM per assicurarsi che possa essere fabbricata, ma lo spazio, le dimensioni delle vie e la separazione tra parete e parete del foro sono inizialmente adeguati per la struttura per fornire una propagazione d'onda a bassa perdita e bassa distorsione.

È stato dimostrato che questa geometria della linea di trasmissione permette la trasmissione di dati a terabit per secondo e potrebbe presto diventare una parte critica del panorama del design ad alta velocità. Nell'esempio sopra per una linea RF, se volessimo eccitare una modalità specifica nella struttura, potremmo cambiare VL e VP in modo che il taglio della 1ª modalità sia a una frequenza più bassa. Per saperne di più sulla teoria delle linee di trasmissione selettive per modalità, leggi questo articolo dell'IEEE (citato sopra).

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