Czy należy usuwać masę spod sieci dopasowujących impedancję?

W sieci dopasowania impedancji celem jest dostosowanie rezystancji, pojemności i indukcyjności obwodu tak, aby maksymalizować transfer mocy lub napięcia do obciążenia. Kontrolowanie tych czynników wokół obwodu dopasowania impedancji na PCB dotyczy rozmieszczenia i wymiarowania ścieżek oraz masy, a także dopasowania ich do padów na dyskretnych komponentach. Aby wyeliminować dodatkowe parasity pochodzące z rozmiaru pada i ścieżek łączących te komponenty, czasami trzeba zmodyfikować, gdzie masa jest umieszczona wokół komponentów obwodu dopasowania impedancji.

Dlaczego masa może być usunięta

W wielu systemach powszechne jest budowanie obwodów dopasowania impedancji z dyskretnych komponentów, zazwyczaj pasywnych SMD. Czasami, gdy masa jest usuwana spod sieci dopasowania impedancji, nie eliminujemy całkowicie masy spod tych obwodów. Dzieje się tak, ponieważ linie zasilające wchodzące do i wychodzące z obwodu muszą mieć docelową impedancję (zazwyczaj 50 omów), więc masa jest nadal potrzebna w urządzeniu. Twoje opcje modyfikacji rozmieszczenia masy obejmują:

• Wykorzystanie masy na niższej warstwie PCB oraz
• Umieszczanie masy koplanarnej wokół sieci dopasowania impedancji

Powód tego jest dość prosty: chcemy zredukować ilość dodatkowej pojemności i indukcyjności pasożytniczej wokół komponentów obwodu dopasowania impedancji. Jest dobrze znane, że pasożyty modyfikują wydajność rzeczywistych elementów pasywnych w obwodach wysokich częstotliwości, tworząc ograniczenie dla oczekiwanej straty zwrotnej na każdym porcie. Niestety, nigdy nie można całkowicie pozbyć się tej pojemności pad/ścieżka na komponentach SMD, można jedynie próbować zminimalizować, aby obwód działał jak najbliżej teoretycznej wydajności.

W związku z tym, w niektórych przypadkach, może być sensowne zmodyfikowanie miejsca, gdzie masa jest umieszczona wokół tych komponentów. Chcemy zapewnić, że rozmiary padów i ścieżek na komponentach nie tworzą nadmiernej dodatkowej pojemności pasożytniczej, która modyfikuje impedancję kondensatorów i cewek w sieci dopasowania impedancji.

Wyczyszczona masa w układzie PCB RF

Poniższy przykład z naszego wcześniejszego projektu nRF52 pokazuje, jak można oczyścić masę; poniżej przedstawiono układ dopasowujący filtr pi. Zauważ, że dobrze to koresponduje z wytycznymi odnośnie płyty referencyjnej nRF52 firmy Nordic. Tutaj, na L1 użyto współpłaszczyznowej masy, a pod siecią dopasowania impedancji na L6 znajduje się jednolita masa. Masa jest usuwana tylko poniżej regionu sieci dopasowania i tylko na L2-L5.

Jeśli spojrzymy wyżej, pady komponentów mają pewną pojemność zwrotną do masy; dodaje to pojemność do dyskretnych kondensatorów w obwodzie dopasowania impedancji. Ta sama idea dotyczy indukcyjności związanej z masą oraz indukcyjności wyprowadzeń komponentów. Jak możemy oczyścić masę, nie wpływając na impedancję linii?

Po pierwsze, możemy użyć masy współpłaszczyznowej wokół ścieżek, aby ustawić ich charakterystyczną impedancję na docelową impedancję dopasowującą wyjście układu. Wycięcie poligonu jest używane poniżej linii zasilającej tylko na wewnętrznych warstwach. Dolna warstwa ma jednolite wylewanie miedzi poniżej obwodu dopasowania impedancji. Warstwa górna również posiada wylewanie miedzi, ale standardowa zasada odstępu została zastosowana wokół ścieżek i padów na tych sieciach, aby ustawić charakterystyczną impedancję ścieżek na docelową wartość.

Teraz przyjrzyjmy się przykładowi, biorąc pod uwagę pokazany powyżej układ RF.

Jak duże jest odchylenie?

Aby określić odchylenie, możemy porównać przypadek teoretyczny z rzeczywistym. Początkowo mamy kondensator 0402 i induktor 0603. Gdybyśmy mieli masę bezpośrednio pod tymi padami oraz łączące je ścieżki, pasożytniczość na kondensatorze wynosiłaby około 3 pF/cal i 7,5 nH/cal na laminacie Dk = 4. Z konfiguracją koplanarną i masą tylko na L6 pokazaną powyżej, pasożytniczość spada do około 2,75 pF/cal i 6,9 nH/cal. Możemy wykonać podobne obliczenia dla padów induktora.

Całkowita pasożytnicza pojemność i indukcyjność, biorąc pod uwagę wartości elementów rozłożonych powyżej, są podsumowane poniżej. Zauważ, że uwzględnia to tylko ścieżki wokół komponentów i pady; nie uwzględnia to samoindukcyjności wyprowadzeń obudowy.

Prosta zmiana lokalizacji masy z L2 na L6 redukuje pojemność pasożytniczą o 22,4%. Z tymi wartościami, teraz możliwe jest uwzględnienie tych pasożytów w symulacji i określenie ich wpływu na impedancję wyjściową sieci.

Obliczenie indukcyjności jest nieco bardziej skomplikowane, ponieważ obejmuje pewną indukcyjność pętli wokół padów oraz indukcyjność wyprowadzeń, które mogą nie być łatwe do określenia. Samoindukcyjność ścieżki w szereg z induktorem również odgrywa rolę w określaniu całkowitej indukcyjności. Ogólnie rzecz biorąc, nie jest bezpieczne zakładać, że zmodyfikowana indukcyjność kompensuje zmodyfikowaną pojemność.

Zauważ powyżej, że uwzględniłem opcję dla wszystkich komponentów 0402 zamiast induktora 0603. Możemy zobaczyć, że jest redukcja pojemności pasożytniczej od padów i ścieżek po prostu dlatego, że induktor 0603 ma większe pady niż induktor 0402. Zmodyfikowany przykład jest pokazany poniżej.

Otrzymujemy nieco mniejszą pojemność pasożytniczą z tym układem, ale to nie dużo; to tylko redukcja o 6,8% w porównaniu do mieszanych rozmiarów pakietów. We wszystkich tych różnych przypadkach, ważne jest teraz określenie, czy to będzie miało znaczenie w twoim konkretnym systemie.

Czy ta odchyłka ma znaczenie?

Aby określić, czy ta pasożytnicza pojemność i indukcyjność są ważne, musimy porównać ich wartości z wartościami komponentów umieszczonych w układzie PCB.

W przykładzie nRF52 powyżej, wartości kondensatorów użytych w sieci dopasowującej wynosiły 1,2 pF. Z dodatkową pojemnością wynoszącą 0,4388 pF, ta sieć zachowuje się, jakby miała całkowitą pojemność 2,8388 pF. Rezultatem jest około 5 omów redukcji impedancji od docelowej impedancji. Załóżmy na chwilę, że obwód bez pasożytów był idealnie dopasowany do 50 omów; jeśli używalibyśmy tej rzeczywistej sieci dopasowującej do transformacji do docelowej impedancji 50 omów, wynikowa strata zwrotna wynosiłaby S11 = -27,5 dB.

Co jeśli nasze kondensatory miałyby 1,2 nF? W tym przypadku dodatkowa pasożytnicza pojemność byłaby ledwo zauważalna i nie miałaby wpływu na nasz filtr pi. Ogólnie rzecz biorąc, jeśli dodatkowa pasożytnicza pojemność jest znacznie mniejsza niż dyskretna pojemność, można ją zignorować; to samo dotyczy indukcyjności.

Należy zauważyć, że ten projekt z dławikiem 0603 został przetestowany na płytce klienta i stwierdzono, że działa zgodnie ze specyfikacją, więc byłbym skłonny użyć tej samej sieci w tym projekcie. Jednakże, punkty przedstawione powyżej powinny być rozważone, jeśli chcesz użyć tego projektu we własnych projektach. Powyższe koncepcje są dość ważne dla praktycznych komponentów pracujących w zakresie 1-6 GHz, gdzie wymagane są sieci dopasowujące impedancję.

Powodem, dla którego masę może być częściej usuwaną w systemach pracujących w zakresie 1-6 GHz, jest to, że używane kondensatory w tych sieciach dopasowujących mogą być bardzo małe (~1 pF). ~1 pF dyskretnej pojemności w sieci jest podobne do oczekiwanej pojemności pasożytniczej wokół linii 50 Ohm na laminacie Dk ~ 4. Ta pojemność pasożytnicza istnieje zasadniczo równolegle z dyskretną pojemnością, i razem mogą one zmodyfikować warunek dopasowania.

Gdzie jest sieć dopasowująca na wyższych częstotliwościach?

Na częstotliwościach wyższych niż WiFi, możesz nie zobaczyć żadnych sieci dopasowujących impedancję na swoich połączeniach RF, które mają pracować na 50 Ohm. Istnieją dwa ważne powody dla tego:

• Większość układów scalonych RF będzie integrować swoją sieć dopasowania impedancji na krzemie
• Obwody RF lub anteny zazwyczaj są budowane specjalnie do pracy przy docelowej impedancji.

Weźmy na przykład transceivery radarowe. Miliony samochodów i specjalistycznych czujników korzystają z tych transceiverów, i na żadnej z tych płyt nie zobaczysz żadnych sieci dopasowania impedancji na PCB. W tych systemach zależy nam na pojemności pasożytniczej wokół PCB, a w szczególności na wysokomocowych wzmacniaczach RF, ale nie umieszczamy sieci dopasowania impedancji z małymi dyskretnymi komponentami na PCB, i z pewnością nie usuwamy masy spod pinów nadawczych i odbiorczych.

Teraz rozważ antenę patchową zasilaną szeregowo pracującą na ~77-78 GHz pokazaną poniżej. Ta antena jest celowo zaprojektowana do pracy przy 50 omach. Zwykle pojedyncza antena patchowa (lub prosta antena mikropaskowa) mogłaby mieć impedancję wejściową 200-300 omów. Powodem, dla którego poniższa antena ma impedancję wejściową 50 omów, jest jej mały rozmiar oraz użycie linii dopasowania o ułamkowej długości fali do łączenia patchy. To również zapewnia szerokie pasmo emisji, jak pokazano na poniższym wykresie strat zwrotnych.

Przedstawiam te przykłady, aby zilustrować następujący ważny punkt: nie zdziw się, jeśli nie zobaczysz sieci dopasowania impedancji zbudowanej z dyskretnych komponentów, gdy twój system RF działa na bardzo wysokich częstotliwościach. Te komponenty zazwyczaj będą zawierać masę poniżej ich pinów TX i RX, jak również bardziej skomplikowane uruchomienie sygnału znajdujące się wokół pina montażowego na PCB.

Zawsze, gdy potrzebujesz zaprojektować układ PCB RF z siecią dopasowania impedancji, upewnij się, że używasz kompletnego zestawu narzędzi do projektowania i produkcji PCB w Altium Designer®. Gdy już zakończysz projektowanie układu PCB i będziesz gotowy, aby udostępnić swoje materiały produkcyjne, możesz łatwo udostępnić dane i pliki wydania swojemu zespołowi za pomocą platformy Altium 365™.

Dotknęliśmy tylko powierzchni możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.