Roteamento de Guia de Onda Integrado ao Substrato para PCBs de mmWave

As aplicações de sinais mmWave costumavam ser limitadas à defesa, mas agora os sistemas mmWave estão se tornando mais comuns. Podemos agradecer ao radar de carros, radar de UAV, os próximos lançamentos do 5G e as pesquisas atuais sobre o 6G por trazer a tecnologia mmWave para o mainstream. O roteamento com sinais mmWave forçou os projetistas a repensar suas práticas de roteamento e designs de interconexão. Isso motivou muitos grupos de pesquisa e empresas inovadoras a projetar novas estruturas de interconexão que proporcionam roteamento de baixa perda em substratos de PCB disponíveis comercialmente.

A guia de onda coplanar aterrada (e suas variantes) é provavelmente a estrutura de interconexão mais conhecida entre os engenheiros de RF que trabalham com frequências de micro-ondas. Uma estrutura de roteamento, chamada de guia de onda integrado ao substrato, oferece uma alternativa útil que é ideal para engenharia do campo eletromagnético ao longo de uma interconexão. Graças a pessoas como John Coonrod, essa tecnologia provavelmente se tornará mais popular entre os projetistas de PCBs de RF, pois oferece várias vantagens sobre outros designs de interconexão. Vamos dar uma olhada nesta estrutura única de guia de ondas e suas vantagens para o roteamento mmWave.

O que é um Guia de Onda Integrado ao Substrato?

Imagine um guia de onda retangular metálico antigo, que proporciona a orientação de ondas acústicas ou eletromagnéticas através da reflexão. Esta estrutura simples pode ser implementada em uma PCB entre duas faixas paralelas de cobre. As linhas de cobre das paredes laterais são formadas a partir de plated through-hole vias, criando uma estrutura metálica que é preenchida com um dielétrico. Esse tipo de estrutura é chamado de guia de onda integrado ao substrato.

Esses guias de onda são bastante simples de formar em uma PCB; um diagrama de um exemplo de guia de onda é mostrado abaixo. Aqui, a interconexão efetivamente ocupa duas camadas, e um acoplador microstrip afilado na camada superficial pode ser usado para injetar um sinal nesta estrutura.

Estrutura do guia de onda integrado ao substrato

Esses sistemas funcionam de maneira semelhante aos guias de onda retangulares no sentido de que possuem um conjunto de modos, que é definido pela sua geometria. Matematicamente, o conjunto de autofunções que descreve a distribuição espacial do campo eletromagnético é o mesmo utilizado para um guia de onda retangular típico; cada autofunção tem um número de onda e comprimento de onda específicos, que são então combinados para formar e definir a distribuição espacial do campo ao longo do guia de onda. O número de onda aproximado para um modo propagante é (W e H são a largura e altura da estrutura, respectivamente):

Número de onda de propagação (aproximação) para um guia de onda dielétrico equivalente.

No caso de os termos n e m serem muito grandes, então seu sinal não será capaz de excitar um modo particular. Isso significa que a frequência do sinal e a geometria da estrutura determinarão quais modos são excitados.

Geralmente, você pode excitar o modo TE10 simplesmente dimensionando o guia de onda para acomodar a frequência de sinal desejada; todos os outros modos de ordem superior decairão e não se propagarão pela estrutura. O número de onda para o modo TE10 é:

Número de onda de propagação para o modo TE10. O projetista pode escolher livremente omega, a, W e d para selecionar modos específicos.

Aqui, o requisito padrão para fornecer confinamento na estrutura do guia de onda é que o espaçamento entre vias (s) seja menor que o dobro do diâmetro da via (d), e que a seja maior que 5 vezes o diâmetro da via. Condições semelhantes podem ser derivadas para excitar outros modos em uma frequência desejada. Isso permite que você projete a distribuição de campo necessária para uma antena, acoplador, amplificador/resonador ou outro dispositivo RF passivo.

Vantagens dos Guias de Onda Integrados ao Substrato

A principal vantagem de um guia de onda integrado ao substrato é suas perdas menores comparadas a microstrips, striplines e guias de onda coplanares aterrados. Se você está trabalhando na banda Ka ou abaixo, microstrips e striplines fornecem perdas similares às de guias de onda coplanares aterrados. Acima da banda Ka e entrando profundamente na banda V, guias de onda coplanares aterrados fornecem perdas menores, embora a perda por inserção ainda atinja -6 dB e aumente 0,1 dB/GHz além de 40 GHz. Confira este post de Jon Coonrod para uma boa comparação das perdas por inserção de microstrip, stripline e guia de onda coplanar aterrado.

Alguns estudos mostraram que interconexões de guia de onda integrado ao substrato oferecem perdas menores até 80 GHz em substratos de baixa perda disponíveis comercialmente (por exemplo, laminados Rogers, Duroid ou Isola). A perda por inserção pode chegar a aproximadamente -6 dB na banda V/M banda (veja aqui para um exemplo em uma rede experimental 5G), dependendo do espaçamento dos vias usados na estrutura. As baixas perdas nestes guias de onda os tornam ideais para uso em design de cadeia de sinal RF, particularmente em circuitos onde a transmissão de alta potência é crítica.

Este sistema é inerentemente aberto e pode atuar como uma fonte de EMI irradiada em circuitos próximos. Proporcionar um confinamento de campo adequado nessas estruturas requer um espaçamento apropriado de vias ao longo do comprimento do guia de onda, similar ao caso de colocar uma cerca de vias ao longo da borda de uma região de antena ou da borda de uma placa para suprimir ressonâncias de cavidade.

A capacidade de escolher quais modos se propagam ao longo do guia de onda torna esta estrutura ideal para projetar acopladores multi-porta RF, antenas ranhuradas e outras estruturas RF passivas que dependem da interferência entre modos para a transferência de campo entre essas estruturas. Se você está interessado em projetar seu próprio guia de onda integrado ao substrato, precisará usar um solucionador de campo eletromagnético 3D, ou seguir os resultados apresentados por outros na literatura. Para um guia rápido sobre o dimensionamento de suas vias (diâmetro e espaçamento), veja este artigo.

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