Wykorzystaj trasowanie mmWave z wykorzystaniem linii transmisyjnej selektywnej względem trybu

Płytki PCB o wysokiej prędkości przesuwają szybkość transmisji danych w stratosferę, stawiając ścisłe wymagania projektowe dla połączeń w celu zapewnienia integralności sygnału i niskich strat. W wcześniejszym artykule omówiłem trasowanie falowodów zintegrowanych z podłożem dla PCB RF jako jedną z opcji dla trasowania wysokich częstotliwości. Ten typ linii transmisyjnej zapewnia doskonałą izolację i jest użyteczny dla prostych przejść do anten, ale to nie jedyna opcja dla trasowania projektów wysokich częstotliwości.

Linia transmisyjna selektywna modowa to jedna z wariacji konfiguracji falowodu koplanarnego do trasowania sygnałów między komponentami na bardzo wysokich częstotliwościach. Celem użycia linii transmisyjnej selektywnej modowej lub innej geometrii jest zapewnienie trasowania o niskiej dyspersji i niskich stratach w określonych pasmach z propagacją jednomodową. W tym artykule przedstawię tę prostą wariację na falowodach koplanarnych i jak można użyć linii transmisyjnych selektywnych modowych do zapewnienia trasowania o wysokiej izolacji z selekcją modu dla aplikacji RF.

Wysokie prędkości łączą lukę z projektowaniem RF

Bez względu na to, czy jesteś projektantem cyfrowym, czy projektantem RF, przesuwanie cyfrowych kanałów wysokiej prędkości na wyższe częstotliwości zmusza wszystkich do uwzględniania koncepcji RF podczas projektowania. John Coonrod, który jest jednym z moich ulubionych prelegentów na ten ważny temat, bardzo elokwentnie stwierdza, że koncepcje z projektowania RF będą kluczowe dla integralności sygnału cyfrowego, gdy zbliżamy się do czasów narastania sygnału rzędu 1 ps w praktycznych zastosowaniach. Ale co dokładnie powoduje, że osiągamy limity standardowych geometrii ścieżek, i co można z tym zrobić?

Pamiętaj, że standardowa ścieżka PCB to linia transmisyjna TEM, co oznacza, że fala, która propaguje się wzdłuż ścieżki, jest przybliżenie fali płaskiej. Ma to miejsce przy niskich częstotliwościach, dopóki nie zaczniemy osiągać pasm częstotliwości średnich GHz (znacznie powyżej częstotliwości WiFi!). Gdy osiągniesz wystarczająco wysokie częstotliwości, zaczniesz zauważać zachowania w polu elektromagnetycznym, które wynikają całkowicie z propagacji fali w strukturze. To tutaj alternatywna geometria linii transmisyjnej może być przydatna do tłumienia wyższych rzędów (nie-TEM) modów i zapewnienia propagacji do odbiornika w pożądanym paśmie.

Trasowanie z alternatywami dla linii transmisyjnych TEM

Z powodów, które wymieniłem powyżej, niektóre geometrie falowodów mogą być bardziej idealne przy bardzo wysokich częstotliwościach i dla aplikacji z bardzo wysoką przepustowością danych, ponieważ mogą być zaprojektowane tak, aby umożliwić jednomodowe trasowanie, a raczej zapobiegają wzbudzaniu nie-TEM modów w falowodzie PCB. Niektóre z tych alternatywnych geometrii trasowania to:

• Zintegrowany falowód podłożowy. Spójrz na ten artykuł, aby dowiedzieć się więcej o tych strukturach. Używałem ich ze szczeliną na powierzchni, aby sprzęgać z konwencjonalnym kołnierzem falowodu mikrofalowego.
• Falowód koaksjalny ze striplinem. Ten styl falowodu ma striplinę trasowaną wewnątrz zintegrowanego falowodu podłożowego, co obejmuje łącznie 3 warstwy. Ściana przelotki w tym falowodzie zapewnia izolację i umożliwia różnorodny wybór modów.
• Linia transmisyjna selektywna modowo. Jest to wariacja na temat trasowania falowodu koplanarnego i oferuje wiele tych samych zalet.

Jeśli spojrzeć do literatury badawczej, te alternatywne style trasowania istnieją od dawna i wykazały swoją wykonalność dla trasowania na poziomie do setek GHz. Te struktury falowodowe są proste do wyprodukowania przy użyciu standardowych technik fabrykacyjnych, ale nawet one mają swoje ograniczenia, gdy dochodzimy do ekstremalnie wysokich częstotliwości. Wśród nich, linia transmisyjna selektywna modalnie (MSTL) może być łatwo wyprodukowana z użyciem geometrii falowodu współpłaszczyznowego uziemionego (GCPW), jak pokazano poniżej.

Zachowanie MSTL przy Wysokich Częstotliwościach (Mode TE)

Specyficzne mody, które zostaną wzbudzone, zależą od kilku czynników, ale przede wszystkim zależy to od geometrii połączenia. W szczególności, w miarę wzrostu częstotliwości sygnału, w konwencjonalnych ścieżkach mikropaskowych lub stripline będą wzbudzane mody poprzeczne, co jest niepożądane zarówno dla trasowania cyfrowego, jak i RF. To jest powód, dla którego napotykamy na granice integralności sygnału konwencjonalnych linii transmisyjnych, szczególnie ponieważ jesteśmy tak ograniczeni przez konwencjonalny proces produkcyjny PCB. Dla projektantów, którzy muszą trasować na wysokich częstotliwościach GHz, możecie zaprojektować strukturę GPCW tak, aby wykazywała strukturę MSTL, jeśli projektujecie system RF, lub możecie ją zaprojektować tak, aby miała maksymalną przepustowość dla sygnału cyfrowego, jeśli pracujecie z systemem cyfrowym wysokiej prędkości.

Aby zrozumieć, jak to się dzieje, spójrz na poniższą grafikę. Tutaj mamy pewne parametry, których możemy użyć do kontrolowania częstotliwości modów w tej strukturze. Przy niskich częstotliwościach struktura będzie działać jak prosta fala TEM, ponieważ propagująca fala jest poniżej rezonansu. Powyżej pewnej wyższej częstotliwości, mody w strukturze zostają pobudzone, prowadząc do szczytów i dolin w spektrach parametrów S. Każdy wyższy mod w strukturze ma częstotliwość odcięcia, i po prostu pobudzenie struktury powyżej odcięcia spowoduje, że pole elektromagnetyczne będzie propagować przez strukturę w trybie innym niż TEM. Ta możliwość pobudzenia modów wyższego rzędu jest jednym z podstawowych ograniczeń linii transmisyjnych TEM.

Jeśli spojrzysz na powyższe odniesienie i ten artykuł o sygnałach cyfrowych w falowodach współpłaszczyznowych, znajdziesz odpowiadające dane parametrów S, które pomagają wyjaśnić szczyty strat mocy pokazane powyżej.

Powodem, dla którego to wszystko ma miejsce, jest propagacja fali przez strukturę, która może pobudzać tworzenie się modów na standardowym połączeniu międzyelementowym. Gdy częstotliwość nośna fali staje się wystarczająco wysoka, może ona pobudzić pewne mody w strukturze linii transmisyjnej na PCB. Spowoduje to powstanie szczytów i dolin w spektrach strat wstawiania i strat zwrotnych. Jeśli masz sygnał cyfrowy, te szczyty strat mocy wskazują, że sygnał może zostać zniekształcony. Dla sygnału analogowego ogranicza to częstotliwość sygnału do konkretnych zakresów, gdzie nadmierne straty i zniekształcenia nie wystąpią.

Czy to po prostu uziemiony falowód kopolarny?

Tak! Ale to, co czyni ten styl falowodu ważnym, to szerokość w porównaniu do długości fali sygnału nośnego. Odległość między przelotkami jest najważniejszym mechanizmem, którego użyłbyś do kontrolowania użytecznego pasma przenoszenia. Ta prosta zmiana szerokości między przelotkami to nie jedyna różnica między uziemionym falowodem kopolarnym a linią transmisyjną selektywną modowo, ale jest głównym punktem używanym do przewidywania pobudzenia modów i załamania standardowej linii transmisyjnej TEM.

Aby porównać, co dzieje się podczas zachowania GCPW i MSTL, spójrz na poniższą grafikę. Grafika ta pokazuje, co się dzieje, gdy częstotliwość sygnału staje się bardzo wysoka i powoduje wzbudzenie trybów nie-TEM. Tryb TEM nie powoduje wzbudzenia podłużnego pola magnetycznego (Hz = 0 w górnym rzędzie). Przy wyższych częstotliwościach mamy teraz wzbudzenie trybu TE, który będzie miał składową pola podłużnego.

W typowej mikropasku lub linii paskowej ostatecznie wzbudzisz tryby falowodu płytowego. Niestety, w tych geometriach nie ma sposobu na stłumienie tych trybów, poza uczynieniem laminatu cieńszym, co ostatecznie osiągnie swoje ograniczenie i nie jest stosowalne we wszystkich projektach.

Jak pokazano powyżej, falowody mają parametry geometryczne, które można dostroić, aby zezwolić lub stłumić różne tryby poprzez wybór odpowiedniej geometrii. Struktura linii transmisyjnej selektywnej dla trybów nadaje jej następujące cechy:

• Wysoka izolacja. Jest to główna korzyść z prowadzenia trasowania w dowolnym falowodzie, w tym w linii transmisyjnej selektywnej dla trybów. Uziemiona bariera z przelotkami wzdłuż krawędzi zapewnia ekranowanie przed innymi ścieżkami.
• Stłumienie trybów.Tryby w linii transmisyjnej selektywnej względem trybów to kombinacja trybu przewodnika zintegrowanego z podłożem oraz kwazi-TEM dla przewodnika centralnego. Odległość między przelotkami wzdłuż krawędzi można wykorzystać do tłumienia trybów falowodowych podłoża, aby zapewnić propagację jednomodową.
• Szerokopasmowa niska dyspersja. Tłumiąc falę powierzchniową, zapewniasz płaską dyspersję na szerszym paśmie niż w mikropasku lub linii paskowej. Utrzymując niską dyspersję na szerszym paśmie, zmniejszasz zniekształcenia i odchylenia od docelowej impedancji, co również tłumi interferencje międzysymbolowe widoczne na odbiorniku.

Trasowanie linii transmisyjnej selektywnej względem trybów na Twojej płytce PCB

Trasowanie geometrii falowodu koplanarnego, jak linia transmisyjna selektywna względem trybów, wymaga odpowiedniego zestawu narzędzi CAD. Oto prosta procedura trasowania tych linii:

1. Oblicz impedancję falową dla pożądanego trybu, z którym będziesz pracować. Aby to zrobić, po prostu oblicz wymaganą stałą propagacji i użyj standardowego równania impedancji falowej z podręcznika projektowania RF.
2. Ustaw wymaganą odległość między sieciami Twojej linii transmisyjnej selektywnej względem trybów a wszelkimi pobliskimi poligonami uziemionymi.
3. Wypełnij obszar wokół trasowanych sieci miedzią uziemioną.
4. Umieść przelotki zszywające na wybranym poligonie, aby osiągnąć cele VL, VP i SGW.

Przykładowa struktura poniżej została zaprojektowana, aby zapewnić impedancję 50 omów aż do 127,2 GHz. Jest prowadzona na 30 mil RO3003, aby zapewnić cechy niskich strat. Nadal wymaga pewnych kontroli DFM, aby zapewnić możliwość jej wytworzenia, ale odstępy, rozmiary via oraz separacja ścianek otworów są początkowo odpowiednie dla struktury, aby zapewnić niskie straty i niskie zniekształcenia propagacji fal.

Geometria tej linii transmisyjnej została wykazana, że pozwala na transmisję danych z prędkością terabitów na sekundę i może wkrótce stać się kluczowym elementem krajobrazu projektowania wysokich prędkości. W powyższym przykładzie dla linii RF, jeśli chcielibyśmy wzbudzić określony tryb w strukturze, moglibyśmy zmienić VL i VP tak, aby pierwszy próg trybu był na niższej częstotliwości. Aby dowiedzieć się więcej o teorii linii transmisyjnych selektywnych dla trybów, przeczytaj ten artykuł z IEEE (cytowany powyżej).

Interaktywne trasowanie i tworzenie stosu warstw w Altium Designer^® dają ci wolność projektowania dowolnego rodzaju połączeń, jakie możesz sobie wyobrazić. Menadżer Stosu Warstw zapewnia bardzo dokładne obliczenia impedancji dla standardowych geometrii ścieżek, lub możesz użyć narzędzi CAD w Edytorze PCB do projektowania własnych niestandardowych geometrii, takich jak linie transmisyjne selektywne względem trybu. Kiedy będziesz gotowy, aby udostępnić pliki fabrykacji płytki i rysunki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dopiero zaczynamy odkrywać możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zobacz nasze elastyczne opcje licencjonowania dla Altium Designer + Altium 365 już dziś.

Odtwarzacz wideo YouTube