Trasowanie falowodów zintegrowanych z podłożem dla PCB mmWave

Zastosowania sygnałów mmWave były kiedyś ograniczone do obrony, ale teraz systemy mmWave stają się coraz bardziej powszechne. Można podziękować radarom samochodowym, radarom UAV, nadchodzącym wdrożeniom 5G oraz bieżącym badaniom nad 6G za wprowadzenie technologii mmWave do głównego nurtu. Trasowanie sygnałów mmWave zmusiło projektantów do przemyślenia swoich praktyk trasowania i projektowania połączeń. Zmotywowało to wiele grup badawczych i innowacyjnych firm do projektowania nowych struktur połączeń, które zapewniają trasowanie o niskich stratach na komercyjnie dostępnych podłożach PCB.

Uziemiony falowód koplanarny (i jego warianty) jest prawdopodobnie najbardziej znaną strukturą połączenia wśród inżynierów RF, którzy pracują z częstotliwościami mikrofalowymi. Jedna struktura trasowania, zwana zintegrowanym falowodem na podłożu, stanowi użyteczną alternatywę, która jest idealna do inżynierii pola elektromagnetycznego wzdłuż połączenia. Dzięki ludziom takim jak John Coonrod, ta technologia prawdopodobnie stanie się bardziej popularna wśród projektantów PCB RF, ponieważ oferuje kilka zalet w porównaniu z innymi projektami połączeń. Spójrzmy na tę unikalną strukturę prowadzenia fal i jej zalety dla trasowania mmWave.

Co to jest Zintegrowany Falowód na Podłożu?

Wyobraź sobie stary, metaliczny, prostokątny falowód, który kieruje fale akustyczne lub elektromagnetyczne poprzez odbicie. Tę prostą strukturę można zaimplementować na PCB pomiędzy dwoma równoległymi pasami miedzi. Boczne linie miedziane ścian są tworzone z metodą galwanicznego wypełniania otworów, tworząc metalową strukturę, która jest wypełniona dielektrykiem. Tego typu struktura nazywana jest zintegrowanym falowodem substratowym.

Te falowody są dość proste do utworzenia na PCB; poniżej pokazano diagram przykładowego falowodu. Tutaj połączenie efektywnie zajmuje dwie warstwy, a stożkowy sprzęgacz mikropaskowy na warstwie powierzchniowej może być użyty do wprowadzenia sygnału do tej struktury.

Struktura zintegrowanego falowodu substratowego

Te systemy funkcjonują w podobny sposób jak prostokątne falowody, ponieważ mają zestaw modów, który jest definiowany przez ich geometrię. Matematycznie, zestaw funkcji własnych opisujących przestrzenny rozkład pola elektromagnetycznego jest taki sam, jak ten używany dla typowego prostokątnego falowodu; każda funkcja własna ma określoną liczbę falową i długość fali, które są następnie łączone, aby formować i definiować przestrzenny rozkład pola wzdłuż falowodu. Przybliżona liczba falowa dla trybu propagującego wynosi (W i H to odpowiednio szerokość i wysokość struktury):

Rozchodząca się liczba falowa (przybliżenie) dla równoważnego falowodu dielektrycznego.

W przypadku, gdy wartości n i m są zbyt duże, sygnał nie będzie w stanie wzbudzić określonego trybu. Oznacza to, że częstotliwość sygnału i geometria struktury zadecydują o tym, które tryby zostaną wzbudzone.

Generalnie, możesz wzbudzić tryb TE10, po prostu dopasowując rozmiar falowodu do pożądanej częstotliwości sygnału; wszystkie inne tryby wyższego rzędu zanikną i nie będą się propagować przez strukturę. Liczba falowa dla trybu TE10 to:

Rozchodząca się liczba falowa dla trybu TE10. Projektant może swobodnie wybrać omega, a, W i d, aby wybrać określone tryby.

Tutaj, standardowym wymogiem do zapewnienia zamknięcia w strukturze falowodu jest, aby odstęp między przelotkami (s) był mniejszy niż podwójna średnica przelotki (d), oraz aby a było większe niż 5 razy średnica przelotki. Podobne warunki mogą być wyprowadzone dla wzbudzania innych trybów przy pożądanej częstotliwości. Pozwala to na inżynierowanie rozkładu pola, którego potrzebujesz dla anteny, sprzęgacza, wzmacniacza/rezonatora lub innego pasywnego urządzenia RF.

Zalety falowodów zintegrowanych z podłożem

Główną zaletą zintegrowanego falowodu substratowego są jego niższe straty w porównaniu z mikropaskami, liniami paskowymi i falowodami kopolarnymi z uziemieniem. Jeśli pracujesz w paśmie Ka lub poniżej, mikropaski i linie paskowe zapewniają podobne straty jak falowody kopolarny z uziemieniem. Powyżej pasma Ka i głęboko w pasmo V, falowody kopolarny z uziemieniem zapewniają niższe straty, chociaż strata wtrąceniowa nadal osiąga -6 dB i wzrasta o 0,1 dB/GHz powyżej 40 GHz. Sprawdź ten post od Jona Coonroda dla porównania strat wtrąceniowych mikropaska, linii paskowej i falowodu kopolarnego z uziemieniem.

Niektóre badania wykazały, że połączenia falowodów substratowych oferują niższe straty do 80 GHz na komercyjnie dostępnych substratach o niskich stratach (np. laminaty Rogers, Duroid lub Isola). Strata wtrąceniowa może spaść do około -6 dB w pasmie V/M (zobacz tutaj przykład w eksperymentalnej sieci 5G), w zależności od użytego rozstawu przelotek w strukturze. Niskie straty w tych falowodach czynią je idealnymi do stosowania w projektowaniu łańcucha sygnałowego RF, szczególnie w obwodach, gdzie krytyczne jest wysokie przesyłanie mocy.

Ten system jest z natury otwarty i może działać jako źródło promieniowanego EMI do pobliskich obwodów. Zapewnienie odpowiedniego ograniczenia pola w tych strukturach wymaga odpowiedniego rozmieszczenia przelotek wzdłuż długości falowodu, podobnie jak w przypadku umieszczania ogrodzenia z przelotek wzdłuż granicy regionu anteny lub krawędzi płytki w celu tłumienia rezonansów wnękowych.

Możliwość wyboru, które tryby propagują wzdłuż falowodu, czyni tę strukturę idealną do projektowania wieloportowych sprzęgaczy RF, szczelinowych anten oraz innych pasywnych struktur RF, które polegają na interferencji między trybami dla transferu pola między tymi strukturami. Jeśli jesteś zainteresowany zaprojektowaniem własnego zintegrowanego falowodu na podłożu, będziesz musiał użyć 3D solvera pola elektromagnetycznego lub śledzić wyniki przedstawione przez innych w literaturze. Aby szybko dowiedzieć się, jak dobrać rozmiary przelotek (średnica i rozmieszczenie), zobacz ten artykuł.

Będziesz również potrzebować odpowiedniego oprogramowania do projektowania PCB, jeśli chcesz stworzyć nowy układ z zintegrowanymi falowodami na podłożu. Unikalne środowisko projektowe w Altium Designer^® pozwala na tworzenie zaawansowanych płyt dla systemów cyfrowych lub wysokoczęstotliwościowych RF z wykorzystaniem szeregu funkcji układu i trasowania. Altium Designer daje również dostęp do kompletnego zestawu narzędzi do symulacji po układzie dla analizy integralności sygnału.

Teraz możesz pobrać darmową wersję próbną Altium Designer i dowiedzieć się więcej o najlepszych w branży narzędziach do projektowania, symulacji i planowania produkcji. Porozmawiaj z ekspertem Altium już dziś, aby dowiedzieć się więcej.