Pytanie Altium Live: Cyfrowe sygnały w uziemionym falowodzie kopolarnym?

Podczas mojego ostatniego wystąpienia na AltiumLive 2022 CONNECT, pojawiło się bardzo interesujące pytanie z publiczności. Ktoś zapytał, czy możliwe jest przesłanie sygnału cyfrowego przez uziemiony falowód kopolarny. To interesujące pytanie, które wymaga przyjrzenia się parametrom S falowodu, i to właśnie omówimy w tym poście.

Podczas sesji pytań i odpowiedzi, odniosłem się do artykułu w literaturze, który zawiera zestaw symulowanych i zmierzonych danych parametrów S dla uziemionych falowodów kopolarnych, i wspomniałem, że te wyniki mogą być użyte do określenia ograniczeń propagacji sygnału cyfrowego w linii transmisyjnej kopolarny. Dla zainteresowanych, PDF tego artykułu można znaleźć tutaj:

• Sain, Arghya, i Kathleen L. Melde. "Wpływ umiejscowienia przelotek uziemiających w uziemionych połączeniach falowodów kopolarnych." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 6, nr 1 (2015): 136-144.

Muszę przyznać, nigdy nie zostałem tak zwięźle zapytany, czy uziemiony falowód kopolarny może obsługiwać sygnał cyfrowy. Technicznie rzecz biorąc, każdy projekt połączenia może obsługiwać dowolny sygnał cyfrowy, pod warunkiem że jest odpowiednio zaprojektowany. Pojęcie "odpowiednio zaprojektowany" różni się w zależności od typu linii transmisyjnej i zależy od parametrów geometrycznych oraz parametrów materiału podłoża. Mając to na uwadze, przyjrzyjmy się wynikom dla typowego uziemionego falowodu kopolarnego z powyższego artykułu i zobaczmy, jak te przewidują wyzwania związane z propagacją sygnału w uziemionym falowodzie kopolarnym.

Parametry S GCPW i sygnały cyfrowe

Kluczem do odpowiedzi na to pytanie jest analiza parametrów S dla uziemionego falowodu kopolarnego (GCPW). Parametry S są wpływane przez kilka czynników, mianowicie rozmieszczenie przelotek, odległość do płaszczyzn i wylewki miedziowej oraz gęstość przelotek. Jeśli możesz zasymulować lub obliczyć parametry S dla swojego GCPW, wtedy możesz natychmiast określić pasmo sygnału cyfrowego, które twoje GCPW może obsłużyć, przekazując moc do odbiornika. Ta sama idea dotyczy każdego innego połączenia, w tym innych układów kopolarnych.

W cytowanym przeze mnie wcześniej artykule analizowane są trzy różne układy koplanarne, które przedstawiono poniżej. Oto trzy standardowe układy koplanarne: (a) koplanarny bez płaszczyzny masy, (b) koplanarny z płaszczyzną masy oraz (c) standardowy GCPW z ogrodzeniem z przelotek wzdłuż ścieżki.

Strukturą, którą należy tutaj przeanalizować, jest GCPW w punkcie (c). Głównymi mechanizmami używanymi do kontrolowania parametrów S w GCPW są:

• Odległość przelotka-ścieżka (VL): Ustala to rezonansowe częstotliwości odpowiadające propagacji fali przez przekrój ścieżki. Większe rozstawienie przesuwa rezonanse na niższe częstotliwości.
• Rozstaw przelotek (VP): Ustala to rezonansowe częstotliwości odpowiadające rozpraszaniu od ścian przelotek; gdy te cylindryczne rezonanse są pobudzane, następuje silne sprzężenie z pobliską masą i możliwa destrukcyjna interferencja wzdłuż ścieżki, prowadząca do strat mocy.
• Zasięg rozlewu miedzi (SGW): Określa to, jak daleko wokół ścieżki rozlewa się miedź poza krawędź ścieżki. W wielu praktycznych sytuacjach można to przyjąć za nieskończoność.

Prawdopodobnie zauważyłeś, że grubość dielektryka (H) nie znajduje się na tej liście; używamy tego do ustawienia impedancji na określoną wartość. Ma to wpływ na ilość strat, jak opisałem w innym artykule na temat odległości od masy. Wartość H tworzy rezonanse, i wyjaśnię poniżej, dlaczego jest to ważne. Trzy wymienione powyżej parametry są znacznie ważniejsze dla praktycznych celów.

Główną strukturą, którą bylibyśmy zainteresowani analizować, jest GCPW w (c), ponieważ tę strukturę można zredukować do innych struktur. Na przykład, (c) można zredukować do (b) przez ustawienie VL na nieskończoność, a (b) można dalej zredukować do (a) przez przyjęcie grubości podłoża na nieskończoność. Mając to na uwadze, spójrzmy na niektóre z głównych wyników z artykułu.

Kontroluj parametry S poprzez dostosowanie VP i VL

Wartości VP i VL decydują o tym, kiedy w powyższej strukturze GCPW zostaną wzbudzone rezonanse, a to właśnie te rezonanse decydują o tym, czy w spektrum S21 wystąpią duże spadki. Chociaż w tym artykule nie ma wystarczająco dużo miejsca, aby przejrzeć każdą pojedynczą wariację parametrów opisanych w dokumencie, istnieją dwa wykresy, które pięknie ilustrują, jak VP i VL wpływają na S21 ze względu na dozwolone rezonanse, które mogą być wzbudzone w przekroju.

Na poniższym obrazie możemy zobaczyć, że zmniejszenie wartości VL i VP przesunie rezonanse w strukturze do wyższych częstotliwości. Możemy wyjaśnić te wyniki w kontekście rezonansów w strukturze przekroju pokazanej powyżej. Zachowanie pokazane na wykresie jest dokładnie tym, czego byśmy się spodziewali; zwiększenie wymiarów bocznych wnęki zmniejszyłoby częstotliwości rezonansowe wnęki, więc spodziewalibyśmy się zobaczyć szczyty i doliny w danych S11 i S21 przy niższych częstotliwościach.

Oto ważna wytyczna, którą można znaleźć w powyższych danych:

• Jeśli zmniejszysz strukturę, możesz zwiększyć rezonanse najniższego rzędu do wyższych częstotliwości, co zwiększa pasmo przenoszenia w strukturze. Ułatwia to propagację sygnałów cyfrowych w GCPW.

Pamiętaj, że teoretycznie pasmo sygnałów cyfrowych rozciąga się w nieskończoność. Dlatego chcesz mieć jak największe pasmo w swoim kanale, aby zapobiec zniekształceniom sygnału. Wysokie straty w dolinach na powyższych wykresach oznaczają, że każda moc skoncentrowana w sygnale na tych częstotliwościach zostanie utracona. Jeśli przyjrzymy się widmowi mocy sygnału cyfrowego o wysokiej prędkości jako przykład, jest jasne, że szybsze sygnały będą bardziej podatne na ograniczenie pasma na coraz wyższych częstotliwościach w większych kanałach, ponieważ widmo mocy sygnału może pokrywać się z antyrezonansami kanału.

Zmniejszenie do falowodu koplanarnego bez uziemienia

Innym sposobem na zapewnienie propagacji sygnału cyfrowego jest całkowite usunięcie przelotek. Wydaje się więc, że mamy dwa skrajne przypadki: przelotki bardzo blisko siebie i blisko ścieżki lub brak przelotek w ogóle! W tym drugim przypadku odległość między ścieżką a masą ustali częstotliwość odcięcia TEM, która ogranicza pasmo linii transmisyjnej.

Na pierwszy rzut oka, dostosowywanie parametrów VL i SGW może wydawać się mało intuicyjne, dopóki nie zastanowimy się, jak rozprzestrzenianie miedzianej siatki przez otwory via wpływa na dozwolone rezonanse. Z danych parametru S powinno być jasne, że rozprzestrzenianie miedzi (SGW → nieskończoność) i używanie braku połączeń masowych via redukuje linię do praktycznie braku rezonansów, dopóki nie spojrzymy w kierunku propagacji fali w osi z. W takim przypadku, rezonans najniższego rzędu będzie miał długość fali 2H/(√Dk), gdzie H to grubość dielektryka między ścieżką a płaszczyzną masy. Dla substratu 10 mil z Dk = 3, pierwszy rezonans wystąpi przy 346 GHz!

Warto zauważyć, że długość linii i SGW będą wpływać na rezonanse, ponieważ tworzą one wokół linii rezonansową przestrzeń, ale w praktycznych sytuacjach mogą być one bardzo duże i można je zignorować. Jako pierwsze podejście do tych projektów, skup się na ustawieniu VL i VP na mniejsze wartości, aby zapewnić maksymalizację pasma.

Jak osiągnąć małą strukturę

Podsumowując, GCPW może wspierać propagację sygnału cyfrowego, o ile parametry S nie powodują nadmiernych zniekształceń sygnału, strat lub tłumienia. Jeśli chodzi o wytyczne projektowe dla GCPW wspierającego sygnał cyfrowy, musimy maksymalizować pasmo bezrezonansowe, stosując się do następujących wytycznych:

1. Starać się, aby VP było jak najmniejsze. Jest to trudne, ponieważ musisz zminimalizować rozmiar wiertła (około 6 milów), więc możesz być ograniczony do VP > 10-15 mil odległości między środkami.
2. Starać się, aby VL było jak najmniejsze. To również jest trudne, ponieważ musisz zostawić te same odstępy pierścieniowe w miedzi, jakie zostawiłbyś w zwykłym via, więc możesz być ograniczony do VL > 10-15 milów.

Jeśli (1) i (2) mogą być wykonane, można oczekiwać pasm sięgających dziesiątek GHz. Jest to potwierdzone przez wyniki w powyższym artykule. Jednakże, powinieneś nadal testować własny projekt połączenia.

Inną opcją jest nieumieszczanie przelotek w otaczającym wylewce miedzi i korzystanie wyłącznie ze struktury (a) lub (b). Jeśli myślimy o propagacji, jak jest ona wpływana przez rezonanse w otaczającej strukturze koplanarnej, widzimy, że struktura (a) nie ma rezonansów do około 1 THz (zakładając odstęp ścieżka-do-wylewki = 5 mils), więc ma najszersze pasmo bezrezonansowe. Jednakże, (a) ma najniższą skuteczność ekranowania. Dla struktury (b), nie ma rezonansów do

Gdy potrzebujesz zaprojektować linie transmisyjne o standardowych geometriach i impedancji, możesz użyć wbudowanego kalkulatora impedancji w Layer Stack Manager w Altium Designer®. Wszyscy użytkownicy oraz ich członkowie zespołu mogą efektywnie współpracować nad zaawansowanymi projektami elektroniki za pomocą platformy Altium 365™. Wszystko, czego potrzebujesz do projektowania i produkcji zaawansowanej elektroniki, znajdziesz w jednym pakiecie oprogramowania.

Dopiero zaczynamy odkrywać, co jest możliwe do zrobienia z Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.