Routing di guide d'onda integrate nel substrato per PCB mmWave

Le applicazioni dei segnali mmWave erano precedentemente limitate alla difesa, ma ora i sistemi mmWave stanno diventando più comuni. Si può ringraziare il radar per auto, il radar per UAV, i prossimi lanci del 5G e le attuali ricerche sul 6G per aver portato la tecnologia mmWave nel mainstream. Il routing con segnali mmWave ha costretto i progettisti a ripensare le loro pratiche di routing e i design degli interconnettori. Ciò ha motivato molti gruppi di ricerca e aziende innovative a progettare nuove strutture di interconnessione che offrono un routing a bassa perdita su substrati PCB disponibili commercialmente.

La guida d'onda coplanare con messa a terra (e le sue varianti) è probabilmente la struttura di interconnessione più nota tra gli ingegneri RF che lavorano con frequenze microwave. Una struttura di routing, chiamata guida d'onda integrata nel substrato, offre un'alternativa utile che è ideale per ingegnerizzare il campo elettromagnetico lungo un interconnessione. Grazie a persone come John Coonrod, questa tecnologia è probabile che diventi più popolare tra i progettisti di PCB RF poiché offre diversi vantaggi rispetto ad altri design di interconnessione. Diamo un'occhiata a questa unica struttura di guida d'onda e ai suoi vantaggi per il routing mmWave.

Cos'è una Guida d'Onda Integrata nel Substrato?

Immagina un vecchio stile di guida d'onda rettangolare metallica, che fornisce la guida di onde acustiche o elettromagnetiche attraverso la riflessione. Questa semplice struttura può essere implementata su un PCB tra due strisce parallele di rame. Le linee di rame delle pareti laterali sono formate da via passanti metallizzate, creando una struttura metallica che è riempita con un dielettrico. Questo tipo di struttura è chiamato guida d'onda integrata nel substrato.

Queste guide d'onda sono abbastanza semplici da formare su un PCB; di seguito è mostrato un diagramma di un esempio di guida d'onda. Qui, l'interconnessione occupa effettivamente due strati, e un accoppiatore microstrip affusolato sullo strato superficiale può essere utilizzato per iniettare un segnale in questa struttura.

Struttura della guida d'onda integrata nel substrato

Questi sistemi funzionano in modo simile alle guide d'onda rettangolari in quanto hanno un insieme di modi, che è definito dalla loro geometria. Matematicamente, l'insieme di autofunzioni che descrive la distribuzione spaziale del campo elettromagnetico è lo stesso utilizzato per una tipica guida d'onda rettangolare; ogni autofunzione ha un numero d'onda e una lunghezza d'onda specifici, che vengono poi combinati per formare e definire la distribuzione spaziale del campo lungo la guida d'onda. Il numero d'onda approssimativo per una modalità di propagazione è (W e H sono la larghezza e l'altezza della struttura, rispettivamente):

Numero d'onda di propagazione (approssimazione) per una guida d'onda dielettrica equivalente.

Nel caso in cui i termini n e m siano troppo grandi, allora il tuo segnale non sarà in grado di eccitare una particolare modalità. Questo significa che la frequenza del segnale e la geometria della struttura determineranno quali modalità vengono eccitate.

Generalmente, puoi eccitare la modalità TE10 semplicemente dimensionando la guida d'onda per accomodare la frequenza del segnale desiderato; tutte le altre modalità di ordine superiore decadranno e non si propageranno attraverso la struttura. Il numero d'onda per la modalità TE10 è:

Numero d'onda di propagazione per la modalità TE10. Il progettista può scegliere omega, a, W e d liberamente al fine di selezionare specifiche modalità.

Qui, il requisito standard per fornire confinamento nella struttura della guida d'onda è che la distanza tra i via (s) sia inferiore al doppio del diametro dei via (d), e che a sia maggiore di 5 volte il diametro dei via. Condizioni simili possono essere derivate per eccitare altre modalità a una frequenza desiderata. Questo ti permette di ingegnerizzare la distribuzione del campo di cui hai bisogno per un'antenna, un accoppiatore, un amplificatore/risuonatore o altro dispositivo RF passivo.

Vantaggi delle Guide d'Onda Integrate nel Substrato

Il principale vantaggio di un waveguide integrato nel substrato è la sua minore perdita rispetto a microstrips, striplines e waveguides coplanari con terra. Se lavori nella banda Ka o al di sotto, microstrips e striplines presentano perdite simili a quelle dei waveguides coplanari con terra. Al di sopra della banda Ka e fino in profondità nella banda V, i waveguides coplanari con terra presentano perdite minori, anche se la perdita di inserzione raggiunge ancora -6 dB e aumenta di 0,1 dB/GHz oltre i 40 GHz. Dai un'occhiata a questo post di Jon Coonrod per un bel confronto delle perdite di inserzione di microstrip, stripline e waveguide coplanari con terra.

Alcuni studi hanno dimostrato che gli interconnettori waveguide integrati nel substrato offrono perdite minori fino a 80 GHz su substrati a bassa perdita disponibili commercialmente (ad esempio, laminati Rogers, Duroid o Isola). La perdita di inserzione può scendere fino a circa -6 dB nella banda V/M banda (vedi qui per un esempio in una rete sperimentale 5G), a seconda della spaziatura dei via utilizzata nella struttura. Le basse perdite in questi waveguides li rendono ideali per l'uso nel design della catena di segnale RF, in particolare nei circuiti dove la trasmissione di alta potenza è critica.

Questo sistema è intrinsecamente aperto e può agire come una fonte di EMI irradiata nei circuiti vicini. Fornire un adeguato confinamento del campo in queste strutture richiede di posizionare correttamente le vie lungo la lunghezza della guida d'onda, similmente al caso in cui si posiziona una recinzione di vie lungo il bordo di una regione dell'antenna o il bordo di una scheda per sopprimere le risonanze della cavità.

La capacità di scegliere quali modi si propagano lungo la guida d'onda rende questa struttura ideale per progettare accoppiatori multi-porta RF, antenne con slot e altre strutture RF passive che si affidano all'interferenza tra modi per il trasferimento del campo tra queste strutture. Se sei interessato a progettare la tua guida d'onda integrata nel substrato, avrai bisogno di utilizzare un risolutore di campo elettromagnetico 3D, o seguire i risultati presentati da altri nella letteratura. Per una guida rapida sul dimensionamento delle tue vie (diametro e spaziatura), consulta questo articolo.

Avrai anche bisogno del giusto software di progettazione PCB se vuoi creare un nuovo layout con guide d'onda integrate nel substrato. L'ambiente di progettazione unico di Altium Designer^® ti permette di costruire schede all'avanguardia per sistemi digitali o RF ad alta frequenza con una gamma di funzionalità di layout e routing. Altium Designer ti dà anche accesso a un set completo di strumenti di simulazione post-layout per l'analisi dell'integrità del segnale.

Ora puoi scaricare una prova gratuita di Altium Designer e scoprire di più sui migliori strumenti di layout, simulazione e pianificazione della produzione del settore. Parla oggi stesso con un esperto Altium per saperne di più.