Pergunta do Altium Live: Sinais Digitais em um Guia de Onda Coplanar Aterrado?

Durante a minha recente palestra no AltiumLive 2022 CONNECT, houve uma pergunta muito interessante da audiência. Alguém perguntou se é possível passar um sinal digital através de um guia de onda coplanar aterrado. Esta é uma questão interessante que requer uma análise dos parâmetros-S do guia de onda, e é isso que vamos examinar neste post.

Durante a sessão de Perguntas e Respostas, eu referenciei um artigo na literatura que contém um conjunto de dados simulados e medidos de parâmetros-S para guias de onda coplanares aterrados, e mencionei que esses resultados poderiam ser usados para determinar a limitação da propagação de sinal digital em uma linha de transmissão coplanar. Para aqueles interessados, um PDF deste artigo pode ser encontrado aqui:

• Sain, Arghya, e Kathleen L. Melde. "Impacto da colocação de via de terra em interconexões de guia de onda coplanar aterradas." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 6, nº 1 (2015): 136-144.

Tenho que admitir, nunca me perguntaram de forma tão sucinta se um guia de onda coplanar aterrado pode suportar um sinal digital. Tecnicamente, qualquer design de interconexão pode suportar qualquer sinal digital, desde que seja projetado corretamente. A noção de "projetado corretamente" varia de acordo com o tipo de linha de transmissão e depende dos parâmetros geométricos e dos parâmetros do material do substrato. Com isso em mente, vamos olhar alguns resultados para um guia de onda coplanar aterrado típico do artigo acima e ver como estes preveem desafios na propagação de sinal em um guia de onda coplanar aterrado.

Parâmetros S do GCPW e Sinais Digitais

A chave para responder a esta questão requer a análise dos parâmetros S para um guia de onda coplanar aterrado (GCPW). Os parâmetros S são influenciados por vários fatores, nomeadamente a colocação de vias, o espaçamento até planos e o cobre derramado, e a densidade das vias. Se você puder simular ou calcular os parâmetros S para o seu GCPW, então você pode imediatamente determinar a largura de banda do sinal digital que o seu GCPW pode acomodar à medida que transfere energia para um receptor. A mesma ideia se aplica a qualquer outra interconexão, incluindo outros arranjos coplanares.

O artigo que cito acima analisa de fato três diferentes arranjos coplanares, que são mostrados abaixo. Aqui temos os três arranjos coplanares padrão: (a) coplanar sem plano de terra, (b) coplanar com plano de terra e (c) o GCPW padrão com a cerca de vias alinhando o traço.

A estrutura relevante para analisar aqui é o GCPW em (c). O mecanismo primário usado para controlar os parâmetros-S no GCPW são:

• Distância via-para-traço (VL): Isso define as frequências ressonantes correspondentes à propagação de ondas através da seção transversal do traço. Espaçamentos maiores movem ressonâncias para frequências mais baixas.
• Passo da via (VP): Isso define as frequências ressonantes correspondentes à dispersão pelas paredes da via; quando essas ressonâncias cilíndricas são excitadas, haverá uma forte acoplamento ao terra próximo e possivelmente interferência destrutiva ao longo do traço, levando a perda de potência.
• Extensão do derramamento de cobre (SGW): Isso define até onde ao redor do traço o derramamento de cobre se estende além da borda do traço. Em muitas situações práticas, isso pode ser considerado como infinito.

Provavelmente você notou que a espessura dielétrica (H) não está nesta lista; usamos isso para definir a impedância para um valor específico. Isso afeta a quantidade de perda, como descrevi em outro artigo sobre distância de segurança da terra. O valor de H cria ressonâncias, e vou explicar por que isso é importante abaixo. Os três parâmetros listados acima são muito mais importantes para fins práticos.

A principal estrutura que nos interessaria analisar é a GCPW em (c), pois essa estrutura pode ser reduzida às outras estruturas. Por exemplo, (c) pode ser reduzida a (b) definindo VL para infinito, e (b) pode ser ainda mais reduzida para (a) levando a espessura do substrato ao infinito. Com isso em mente, vamos olhar alguns dos principais resultados do artigo.

Controlar os parâmetros S Ajustando VP e VL

Os valores de VP e VL determinarão quando as ressonâncias serão excitadas na estrutura GCPW acima, e são essas ressonâncias que determinam se grandes quedas no espectro S21 ocorrerão. Embora não haja espaço suficiente neste artigo para analisar cada variação de parâmetro no papel, existem dois gráficos que ilustram lindamente como VP e VL afetam o S21 devido às ressonâncias permitidas que podem ser excitadas na seção transversal.

Na imagem abaixo, podemos ver que reduzir os valores de VL e VP empurrará as ressonâncias na estrutura para frequências mais altas. Podemos explicar esses resultados em termos das ressonâncias na estrutura de seção transversal mostrada acima. O comportamento mostrado no gráfico é exatamente o que esperaríamos; aumentar as dimensões laterais da cavidade diminuiria as frequências ressonantes da cavidade, assim esperaríamos ver picos e vales nos dados de S11 e S21 em frequências mais baixas.

Aqui está a orientação importante que se encontra a partir dos dados acima:

• Se você tornar a estrutura menor, pode aumentar as ressonâncias de ordem mais baixa para frequências mais altas, e isso aumenta a largura de banda na estrutura. Isso facilita a propagação de sinais digitais em um GCPW.

Lembre-se, as larguras de banda de sinal digital teoricamente se estendem ao infinito. Portanto, você quer ter o máximo de largura de banda possível em seu canal para evitar distorção do sinal. Os vales de alta perda nos gráficos acima significam que qualquer potência concentrada no sinal nessas frequências será perdida. Se olharmos para o espectro de potência de um sinal digital de alta velocidade como exemplo, fica claro que sinais mais rápidos serão mais propensos a experimentar limitação de banda em frequências progressivamente mais altas em canais maiores porque o espectro de potência do sinal pode se sobrepor com as antirressonâncias do canal.

Redução para uma Guia de Onda Coplanar sem Terra

A outra maneira de garantir a propagação do sinal digital é remover completamente os vias. Então, parece que temos dois extremos: vias muito próximas umas das outras e próximas ao traço, ou nenhum via de todo! No último caso, a distância entre o traço e o terra definirá a frequência de corte TEM que limita a largura de banda da linha de transmissão.

À primeira vista, ajustar os parâmetros VL e SGW provavelmente parece menos intuitivo, até que se pense em como a dispersão da cerca de vias de cobre afeta as ressonâncias permitidas. Deve ficar claro a partir dos dados do parâmetro S que espalhar o derramamento de cobre (SGW → infinito) e usar nenhuma via de aterramento reduz a linha a ter basicamente nenhuma ressonância até que se olhe na direção de propagação de onda no eixo z. Nesse caso, a ressonância de ordem mais baixa terá um comprimento de onda de 2H/(√Dk), onde H é a espessura dielétrica entre o traço e o plano de terra. Para um substrato de 10 mil com Dk = 3, isso coloca a primeira ressonância em 346 GHz!

Note que o comprimento da linha e o SGW afetarão as ressonâncias, pois eles envolvem uma cavidade ressonante ao redor da linha, mas em situações práticas, estes podem ser muito grandes e podem ser ignorados. Como uma primeira abordagem para esses designs, foque em definir VL e VP para valores menores para garantir que a largura de banda seja maximizada.

Como Chegar a uma Estrutura Pequena

Em resumo, um GCPW pode suportar a propagação de sinal digital desde que os parâmetros-S não criem distorção de sinal excessiva, perdas ou atenuação. Quanto às diretrizes de design para GCPW suportando um sinal digital, devemos maximizar a largura de banda livre de ressonância com as seguintes diretrizes:

1. Tente fazer com que VP seja o menor possível. Isso é difícil, pois você tem que minimizar o tamanho do bit de perfuração (~6 mils), então você pode estar limitado a um VP > 10-15 mils de distância de centro a centro.
2. Tente fazer com que VL seja o menor possível. Isso também é difícil porque você precisa deixar os mesmos espaços de anel anular no cobre derramado como faria em um via regular, então você pode estar limitado a um VL > 10-15 mils.

Se (1) e (2) puderem ser realizados, você pode esperar larguras de banda alcançando dezenas de GHz. Isso é corroborado pelos resultados no artigo acima. No entanto, você ainda deve testar seu próprio design de interconexão.

A outra opção é não colocar vias no cobre circundante e apenas usar a estrutura (a) ou (b). Se pensarmos na propagação conforme é afetada por ressonâncias na estrutura coplanar circundante, vemos que a estrutura (a) não possui ressonâncias até cerca de 1 THz (assumindo um espaçamento entre trilha e cobre = 5 mils), portanto, tem a maior largura de banda livre de ressonância. No entanto, (a) tem a eficácia de blindagem mais baixa. Para a estrutura (b), não possui ressonâncias até assumir SGW = infinito, assim também possui uma largura de banda que alcança centenas de GHz.

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