Aproveite o Roteamento mmWave com uma Linha de Transmissão Seletiva de Modo

As PCBs de alta velocidade estão elevando as taxas de dados à estratosfera, impondo requisitos rigorosos de design em interconexões para garantir integridade de sinal e baixas perdas. Em um artigo anterior, discuti o roteamento de guia de onda integrado ao substrato para PCBs de RF como uma opção para roteamento de alta frequência. Esse tipo de linha de transmissão oferece excelente isolamento e é útil para transições simples para antenas, mas não é a única opção para roteamento de designs de alta frequência.

Uma linha de transmissão seletiva de modo é uma variação de uma configuração de guia de onda coplanar para rotear sinais entre componentes em frequências muito altas. O objetivo ao usar uma linha de transmissão seletiva de modo ou outra geometria é fornecer roteamento com baixa dispersão e baixa perda em larguras de banda específicas com propagação de modo único. Neste artigo, apresentarei esta simples variação em guias de onda coplanares e como você pode usar linhas de transmissão seletivas de modo para fornecer roteamento de alta isolação com seleção de modo para aplicações de RF.

Altas Velocidades Preenchem a Lacuna com Design de RF

Seja você um designer digital ou um designer de RF, a pressão dos canais digitais de alta velocidade para frequências mais altas está forçando todos a incorporar conceitos de RF durante o projeto. John Coonrod, que por acaso é um dos meus oradores favoritos sobre este importante tópico, afirma de forma muito eloquente que conceitos do design de RF serão críticos para a integridade do sinal digital à medida que nos aproximamos cada vez mais de tempos de subida de 1 ps em aplicações práticas. Mas o que exatamente está nos fazendo atingir os limites das geometrias padrão de trilhas, e o que pode ser feito a respeito disso?

Lembre-se, a trilha padrão de PCB é uma linha de transmissão TEM, o que significa que a onda que se propaga ao longo da trilha é aproximadamente uma onda plana. Isso se mantém em baixas frequências até que você comece a alcançar larguras de banda de médio-GHz (bem acima das frequências de WiFi!). Quando você chega a frequências suficientemente altas, começará a notar comportamentos no campo eletromagnético que surgem inteiramente devido à propagação de ondas na estrutura. É aqui que uma geometria alternativa de linha de transmissão pode ser útil para suprimir modos de ordem superior (não-TEM) e garantir a propagação para o receptor na largura de banda desejada.

Roteamento Com Alternativas às Linhas de Transmissão TEM

Pelos motivos que listei acima, algumas geometrias de guia de ondas podem ser mais ideais em frequências muito altas e para aplicações de taxa de dados muito alta, pois podem ser projetadas para permitir roteamento em modo único, ou melhor, elas impedem a excitação de modos não-TEM em um guia de ondas de PCB. Algumas dessas geometrias alternativas de roteamento são:

• Guia de onda integrado ao substrato. Dê uma olhada neste artigo para aprender mais sobre essas estruturas. Eu as usei com uma fenda na superfície para acoplar a uma flange de guia de ondas de micro-ondas convencional.
• Guia de onda de linha coaxial stripline. Este estilo de guia de onda tem uma stripline roteada dentro de um guia de onda integrado ao substrato, o que envolve 3 camadas no total. A parede de via neste guia de onda fornece isolamento e permite a seleção de modo diverso.
• Linha de transmissão seletiva de modo. Esta é uma variação do roteamento de guia de onda coplanar e oferece muitas das mesmas vantagens.

Se você olhar na literatura de pesquisa, esses estilos de roteamento alternativos existem há muito tempo e demonstraram sua viabilidade para roteamento até centenas de GHz. Essas estruturas de guia de onda são simples de produzir com técnicas de fabricação padrão, mas mesmo elas têm limites uma vez que chegamos a frequências extremamente altas. Entre esses, uma linha de transmissão seletiva por modo (MSTL) pode ser facilmente produzida com uma geometria de guia de onda coplanar aterrada (GCPW) como mostrado abaixo.

Comportamento da MSTL em Altas Frequências (Modos TE)

Os modos específicos que serão excitados dependem de vários fatores, mas principalmente da geometria da interconexão. Em particular, à medida que as frequências do sinal aumentam, os modos transversais em trilhas convencionais de microstrip ou stripline serão excitados, o que é indesejável tanto para roteamento digital quanto para RF. Esta é a razão pela qual estamos enfrentando os limites de integridade de sinal das linhas de transmissão convencionais, especialmente porque somos tão limitados pelo processo de fabricação de PCB convencional. Para os designers que precisam rotear em frequências altas de GHz, você pode projetar a estrutura GPCW para exibir uma estrutura MSTL se estiver projetando um sistema RF, ou você poderia projetá-la para ter largura de banda máxima para um sinal digital se estiver trabalhando com um sistema digital de alta velocidade.

Para ver como isso surge, dê uma olhada no gráfico abaixo. Aqui temos alguns parâmetros que podemos usar para controlar as frequências dos modos nesta estrutura. Em baixas frequências, a estrutura agirá como um guia de ondas TEM simples, porque a onda propagante está abaixo da ressonância. Acima de uma certa frequência mais alta, os modos na estrutura ficam excitados, levando a picos e vales nos espectros do parâmetro S. Cada modo de ordem superior na estrutura tem uma frequência de corte, e simplesmente excitando a estrutura acima de um corte fará com que o campo eletromagnético se propague através da estrutura em um modo não-TEM. Esta possibilidade de excitação de modo de ordem superior é um dos limites fundamentais nas linhas de transmissão TEM.

Se você olhar a referência acima e este artigo sobre sinais digitais em guias de onda coplanares, você encontrará dados correspondentes do parâmetro S que ajudam a explicar os picos de perda de potência mostrados acima.

A razão pela qual tudo isso ocorre é a propagação de ondas através da estrutura, que pode excitar a formação de modos em um interconector padrão. Quando a frequência portadora de uma onda é alta o suficiente, ela pode excitar alguns modos na estrutura da linha de transmissão na PCB. Isso criará picos e vales nos espectros de perda de inserção e de retorno. Se você tem um sinal digital, esses picos de perda de potência indicam que o sinal pode ficar distorcido. Para um sinal analógico, isso limita a frequência do sinal a faixas específicas onde perdas excessivas e distorção não ocorrerão.

Isso Não É Apenas um Guia de Onda Coplanar Aterrado?

Sim! Mas o que torna esse estilo de guia de onda importante é a largura comparada ao comprimento de onda do sinal portador. O espaçamento entre os vias é o mecanismo mais importante que você usaria para controlar a largura de banda útil. Essa simples mudança na largura entre os vias não é a única diferença entre um coplanar aterrado e uma linha de transmissão seletiva de modo, mas é o ponto principal usado para prever a excitação de modos e a quebra da linha de transmissão TEM padrão.

Para comparar o que acontece durante o comportamento do GCPW e do MSTL, observe o gráfico a seguir. Este gráfico mostra o que acontece quando a frequência de um sinal fica muito alta e causa a excitação de modos não-TEM. O modo TEM não cria excitação de um campo magnético longitudinal (Hz = 0 na linha superior). Em frequências mais altas, agora temos a excitação de um modo TE, que terá um componente de campo longitudinal.

Em uma microstrip ou stripline típica, eventualmente você excitará os modos de guia de onda de placas paralelas. Infelizmente, nessas geometrias, não há como suprimir esses modos exceto tornando o laminado mais fino, o que eventualmente atingirá seu limite e não é aplicável em todos os designs.

Como mostrado acima, os guias de onda têm parâmetros geométricos que podem ser ajustados para permitir ou suprimir vários modos selecionando a geometria apropriada. A estrutura de uma linha de transmissão seletiva de modo confere-lhe as seguintes características:

• Alta isolação. Este é o principal benefício do roteamento em qualquer guia de onda, incluindo uma linha de transmissão seletiva de modo. A cerca de vias aterradas ao longo da borda fornece blindagem contra outras trilhas.
• Supressão de modo.Modos em uma linha de transmissão seletiva de modo são uma combinação de um modo de guia de onda integrado ao substrato e modo quase-TEM para o condutor central. O espaçamento da cerca de vias ao longo da borda pode ser usado para suprimir modos de guia de onda no substrato para garantir a propagação em modo único.
• Largura de banda larga com baixa dispersão. Ao suprimir uma onda superficial, você garantiu uma dispersão plana até uma largura de banda maior do que em uma microfita ou linha de transmissão em fita. Mantendo a dispersão baixa em uma largura de banda mais ampla, há menos distorção e desvio da impedância alvo, o que também suprime a interferência entre símbolos vista em um receptor.

Rotear uma Linha de Transmissão Seletiva de Modo na Sua PCB

Rotear uma geometria de guia de onda coplanar como uma linha de transmissão seletiva de modo requer o conjunto certo de ferramentas CAD. Aqui está um procedimento simples para rotar essas linhas:

1. Calcule a impedância de onda para o modo desejado com o qual você trabalhará. Para fazer isso, simplesmente calcule a constante de propagação requerida e use a equação padrão de impedância de onda de um livro-texto de design RF.
2. Defina o afastamento necessário entre suas redes de linha de transmissão seletiva de modo e quaisquer polígonos aterrados próximos.
3. Preencha a área ao redor de suas redes roteadas com cobre aterrado.
4. Coloque vias de costura no polígono selecionado para atingir seus alvos de VL, VP e SGW.

A estrutura de exemplo abaixo foi projetada para fornecer uma impedância de 50 Ohms até 127,2 GHz. Ela é roteada em RO3003 de 30 mil para proporcionar características de baixa perda. Ainda precisa de algumas verificações de DFM (Design for Manufacturability) para garantir que possa ser fabricada, mas o espaçamento, os tamanhos dos vias e a separação entre paredes de furos estão inicialmente apropriados para que a estrutura forneça propagação de ondas de baixa perda e baixa distorção.

Essa geometria de linha de transmissão demonstrou permitir transmissão de dados de terabits por segundo e pode em breve se tornar uma parte crítica da paisagem de design de alta velocidade. No exemplo acima para uma linha RF, se quiséssemos excitar um modo específico na estrutura, poderíamos alterar VL e VP de modo que o corte do 1º modo esteja em uma frequência mais baixa. Para aprender mais sobre a teoria das linhas de transmissão seletivas de modo, leia este artigo da IEEE (citado acima).

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