Recupere as Perdas do Condutor Limpando a Camada de Terra da sua PCB

O roteamento com impedância controlada em altas frequências já é difícil o suficiente, e é importante garantir que você permaneça dentro do seu orçamento de perdas em rotas longas ou em meios com perdas. Quando você precisa rotear um traço longo ou um par diferencial longo até um conector ou outro componente, o que você pode fazer se estiver atingindo o limite do seu orçamento de perdas?

A maioria dos projetistas dirá para simplesmente usar um material alternativo de baixa perda/RF que tenha um tangente de perda menor sempre que as perdas forem excessivas em interconexões de alta velocidade/alta frequência. O que mais você pode fazer se as perdas forem um problema nessas interconexões longas?

Existe um truque que você pode usar com linhas microstrip que é implementado por projetistas de equipamentos/dispositivos 5G. Esta é uma técnica que me foi descrita como roteamento de referência saltado, ou simplesmente roteamento saltado. O nome refere-se a pular camadas de referência na extremidade de carga de uma interconexão, modificando assim a distribuição de campo ao redor de um traço microstrip e reduzindo as perdas totais. Neste artigo, vamos dar uma olhada neste método de roteamento e explicar como ele pode ajudar a recuperar parte do orçamento de perdas em uma interconexão com perdas.

O que é Roteamento com Salto?

O roteamento com salto envolve a remoção de parte da camada de terra da PCB na camada de referência para uma linha de transmissão microstrip na extremidade de carga de uma rota. Uma vez que o sinal entra na região com o afastamento do terra, o sinal experimentará menores perdas. Isso ocorre porque o ato de deslocar a camada de terra da PCB para longe do traçado modifica a distribuição do campo ao redor da linha de transmissão microstrip. Desta forma, a impedância da linha de transmissão agora é referenciada à próxima camada mais próxima na pilha, desde que as duas regiões de terra estejam definidas para o mesmo potencial. A imagem abaixo mostra como isso funciona.

Quando se remove parte do terra na região abaixo do componente de destino, agora é necessário ajustar a largura do traçado microstrip na camada superficial para que se possa manter uma impedância consistente. Quando o traçado entra na região com a camada de terra removida, a largura do traçado precisa ser ampliada dentro da região limpa para definir a impedância em ambas as regiões como igual. Isso permite reduzir as perdas totais de inserção na região limpa sem criar novas perdas de retorno na interface entre essas regiões. Incluí um pequeno afunilamento na região de transição, que idealmente deve ser eletricamente curto (cerca de 10% do comprimento de onda operacional para sinais de RF).

Usando um Recorte de Terra para Reduzir Perdas em Condutores

A perda experimentada pelo sinal dependerá da densidade de linhas de campo ao redor da linha microstrip, mas isso não é necessariamente porque o ângulo de perda muda. Uma vez que a camada de terra mais próxima é removida abaixo do microstrip e o traço é referenciado à próxima camada de terra, a largura do traço pode ser confortavelmente aumentada, pois isso ajudará o traço a atingir seu alvo de impedância.

Como podemos obter alguma redução de perda neste traço sem de alguma forma mudar o ângulo de perda? A resposta está no efeito pelicular no condutor. Ao alargar o condutor para garantir controle de impedância na região da camada de terra removida, as perdas pelo efeito pelicular serão reduzidas. Podemos ver isso se olharmos para uma fórmula aproximada para a resistência do efeito pelicular de um condutor com uma seção transversal retangular:

Uma vez que isso é apenas um valor de resistência, deveríamos ser capazes de ver que aumentar a largura do traço (W) aumentará a área transversal, e assim a resistência diminuirá. Isso ajuda a recuperar uma pequena quantidade de perdas resistivas e reativas na região onde a largura do traço é maior.

Optando por Coplanar em Vez de Usar Recortes de Terra

Até agora, discuti apenas o que acontece quando temos linhas de microstrip regulares. O que acontece se você projetou com um guia de onda coplanar aterrado? A diferença é que a relação entre a largura e a espessura do dielétrico será menor para um guia de onda coplanar quando o espaçamento entre o traço e o aterramento for menor. No entanto, você tem outra alavanca que pode acionar: o espaçamento entre o traço e o seu aterramento próximo.

Aqui, temos outra versão do roteamento de salto: onde mudamos o espaçamento saindo do guia de onda coplanar e um microstrip. Se você se lembra de um artigo anterior sobre distâncias de isolamento de microstrip até o aterramento, notará que trazer o roteamento de aterramento para perto de um microstrip reduz sua impedância, o que é por que podemos usar um traço mais fino em um guia de onda coplanar do que em um microstrip para a mesma espessura de substrato.

O exemplo abaixo mostra outra maneira de recuperarmos algumas perdas ao transitar de uma guia de onda coplanar estreita para uma microfita larga. Se você se lembra do meu artigo anterior sobre perdas em microfita vs. guia de onda coplanar, notará que o traçado coplanar terá maiores perdas no condutor da PCB para um revestimento áspero típico, como ENIG. Isso se deve (em parte) à modificação das perdas na linha de microfita pelo revestimento áspero, o que aumenta a magnitude do efeito pelicular. Ao transitar da linha coplanar para uma microfita com um afilamento, a microfita terá perdas menores do que a seção coplanar.

Neste exemplo, não removemos nenhum terra da próxima camada. Em vez disso, apenas limpamos o terra na mesma camada e, em seguida, alargamos o traçado para manter a impedância. Algumas perdas adicionais seriam reduzidas optando por um revestimento de prata de imersão em vez de ENIG, bem como retirando a máscara de solda dessas linhas, já que os materiais de máscara de solda LPI têm alto tangente de perda.

E Sobre o Dk Efetivo?

Quando a distância do traço até a camada de terra é aumentada, a distribuição do campo mudará e, assim, o valor de Dk efetivo visto pelo sinal que viaja no traço também mudará. Alguém poderia perguntar com razão: o que acontece com o valor de Dk efetivo, e isso muda as perdas totais ao longo do interconector?

Embora seja verdade que alterar a largura do traço modifica a distribuição do campo ao redor do traço, isso apenas muda ligeiramente a constante dielétrica efetiva. Isso ocorre porque a relação entre a largura e a espessura do dielétrico necessária para a impedância controlada é apenas ligeiramente não linear para um microstrip, então dobrar a espessura do dielétrico requer quase que dobrar a largura do traço para alcançar a mesma impedância. Isso te leva de volta ao mesmo valor de Dk efetivo para seus microstrips. Isso deve explicar por que o ângulo de perda não precisa mudar para recuperar algumas perdas nos seus interconectores.

Quando você precisa projetar e rotear interconexões de alta velocidade e alta frequência, levando em conta as perdas dos condutores da PCB, utilize o melhor conjunto de recursos de roteamento de PCB no Altium Designer. O motor integrado de regras de design e o Gerenciador de Pilhas de Camadas oferecem tudo o que você precisa para calcular a largura do traço necessária para alcançar uma impedância específica e considerar a aspereza do cobre no sistema de material da sua PCB. Quando você terminar o seu projeto e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365 facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos.

Apenas começamos a explorar o que é possível com o Altium Designer no Altium 365. Inicie seu teste gratuito do Altium Designer + Altium 365 hoje mesmo.