Recupera le Perdite del Conduttore Pulendo il Tuo Strato di Terra del PCB

Il routing a impedenza controllata ad alte frequenze è abbastanza difficile, ed è importante assicurarsi di rimanere entro il proprio budget di perdita su percorsi lunghi o in media perdenti. Quando devi tracciare un percorso lungo o una coppia differenziale lunga verso un connettore o un altro componente, cosa puoi fare se stai raggiungendo il limite del tuo budget di perdita?

La maggior parte dei progettisti ti dirà di usare semplicemente un alternativo materiale a bassa perdita/RF che ha un tangente di perdita inferiore ogni volta che le perdite sono eccessive su interconnessioni ad alta velocità/alta frequenza. Cosa altro puoi fare se le perdite sono un problema su queste lunghe interconnessioni?

C'è un trucco che puoi usare con le linee microstrip che viene implementato dai progettisti di apparecchiature/dispositivi 5G. Questa è una tecnica che mi è stata descritta come routing di riferimento saltato, o semplicemente routing saltato. Il nome si riferisce al saltare i livelli di riferimento all'estremità di carico di un'interconnessione, modificando così la distribuzione del campo attorno a una traccia microstrip e riducendo le perdite totali. In questo articolo, esamineremo questo metodo di routing e spiegheremo come può aiutare a recuperare parte del budget di perdita in un'interconnessione perdente.

Cos'è il Skip Routing?

Il skip routing implica la rimozione di parte dello strato di massa del PCB nello strato di riferimento per una linea di trasmissione microstrip all'estremità di carico di un percorso. Una volta che il segnale entra nella regione con lo spazio libero di massa, il segnale sperimenterà minori perdite. Questo avviene perché l'azione di spostare lo strato di massa del PCB lontano dalla traccia modifica la distribuzione del campo intorno alla linea di trasmissione microstrip. In questo modo, l'impedenza della linea di trasmissione è ora riferita allo strato più vicino nel pacchetto, a condizione che le due regioni di massa siano impostate sullo stesso potenziale. L'immagine sottostante mostra come funziona.

Quando si rimuove parte della massa nella regione sotto il componente di destinazione, ora è necessario regolare la larghezza della traccia microstrip sullo strato superficiale in modo da poter mantenere un'impedenza costante. Quando la traccia entra nella regione con lo strato di massa rimosso, la larghezza della traccia deve essere allargata all'interno della regione liberata per impostare l'impedenza in entrambe le regioni uguale. Ciò consente di ridurre le perdite totali di inserzione nella regione liberata senza creare nuove perdite di ritorno all'interfaccia tra queste regioni. Ho incluso una piccola riduzione nella regione di transizione, che idealmente dovrebbe essere elettricamente breve (circa il 10% della lunghezza d'onda operativa per i segnali RF).

Utilizzo di un Taglio di Terra per Ridurre le Perdite nei Conduttori

La perdita sperimentata dal segnale dipenderà dalla densità delle linee di campo attorno alla linea microstrip, ma non è necessariamente perché il tangente di perdita cambia. Una volta che il livello di terra più vicino è stato sgomberato sotto il microstrip e la traccia è riferita al successivo strato di terra, la larghezza della traccia può essere comodamente aumentata poiché ciò aiuterà la traccia a raggiungere il suo obiettivo di impedenza.

Come possiamo ottenere una riduzione delle perdite in questa traccia senza in qualche modo cambiare il tangente di perdita? La risposta risiede nell'effetto pelle nel conduttore. Allargando il conduttore per garantire controllo dell'impedenza nella regione dello strato di terra sgomberato, le perdite per effetto pelle saranno ridotte. Possiamo vedere ciò se guardiamo una formula approssimativa per la resistenza dell'effetto pelle di un conduttore con una sezione trasversale rettangolare:

Dato che si tratta solo di un valore di resistenza, dovremmo essere in grado di vedere che aumentare la larghezza della traccia (W) aumenterà l'area trasversale, e quindi la resistenza diminuirà. Questo aiuta a recuperare una piccola quantità di perdite resistive e reattive nella regione dove la larghezza della traccia è maggiore.

Optare per una Configurazione Coplanare invece di Utilizzare Tagli di Terra

Finora ho discusso solo di cosa succede quando abbiamo linee microstrip regolari. Cosa succede se hai progettato con una guida d'onda coplanare con terra? La differenza è che il rapporto larghezza-spessore dielettrico sarà minore per una guida d'onda coplanare quando lo spazio tra la traccia e il piano di massa è inferiore. Tuttavia, hai un'altra leva che puoi utilizzare: lo spazio tra la traccia e il suo routing di massa vicino.

Qui, abbiamo un'altra versione del routing saltato: dove cambiamo lo spazio uscendo dalla guida d'onda coplanare e un microstrip. Se ricordi un articolo precedente su distanze di clearance del microstrip rispetto al terra, noterai che avvicinare il routing di massa al pour vicino a un microstrip ne riduce l'impedenza, motivo per cui possiamo usare una traccia più sottile in una guida d'onda coplanare rispetto a un microstrip per lo stesso spessore del substrato.

L'esempio sottostante mostra un altro modo in cui possiamo recuperare alcune perdite passando da una guida d'onda coplanare stretta a un microstrip largo. Se ricordate il mio articolo precedente su perdite microstrip vs. guida d'onda coplanare, noterete che la traccia coplanare avrà perdite maggiori del conduttore PCB per un tipico rivestimento ruvido come l'ENIG. Questo è (in parte) dovuto alla modifica delle perdite della linea microstrip da parte del rivestimento ruvido, che aumenta la magnitudine dell'effetto pelle. Passando dalla linea coplanare a un microstrip con un cono, il microstrip avrà perdite inferiori rispetto alla sezione coplanare.

In questo esempio, non abbiamo rimosso nessuno dei piani di massa sullo strato successivo. Invece, abbiamo solo rimosso il piano di massa sullo stesso strato e poi allargato la traccia per mantenere l'impedenza. Alcune perdite aggiuntive sarebbero ridotte optando per un rivestimento in argento immerso invece che ENIG, così come rimuovendo la maschera di saldatura da queste linee poiché i materiali per maschera di saldatura LPI hanno un alto tangente di perdita.

Che dire del Dk effettivo?

Quando la distanza dalla traccia allo strato di terra viene aumentata, la distribuzione del campo cambierà e quindi anche il valore Dk effettivo percepito dal segnale che viaggia sulla traccia cambierà. Si potrebbe giustamente chiedere: cosa succede al valore Dk effettivo, e questo cambia le perdite totali lungo l'interconnessione?

Sebbene sia vero che modificare la larghezza della traccia modifica la distribuzione del campo attorno alla traccia, ciò cambia solo leggermente la costante dielettrica effettiva. Questo perché il rapporto larghezza-spessore del dielettrico richiesto per l'impedenza controllata è solo leggermente non lineare per un microstrip, quindi raddoppiare lo spessore del dielettrico richiede quasi esattamente il raddoppio della larghezza della traccia per raggiungere la stessa impedenza. Questo ti riporta allo stesso valore Dk effettivo per i tuoi microstrip. Questo dovrebbe spiegare perché l'angolo di perdita non ha bisogno di cambiare per recuperare alcune perdite nei tuoi interconnettori.

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