Вопрос Altium Live: Цифровые сигналы в заземленном копланарном волноводе?

Во время моего недавнего выступления на AltiumLive 2022 CONNECT был поднят очень интересный вопрос из аудитории. Кто-то спросил, возможно ли пропустить цифровой сигнал через заземленный копланарный волновод. Это интересный вопрос, который требует рассмотрения S-параметров волновода, и именно это мы и рассмотрим в этом посте.

Во время сессии вопросов и ответов, я сослался на статью в литературе, которая содержит набор симулированных и измеренных данных S-параметров для заземленных копланарных волноводов, и упомянул, что эти результаты могут быть использованы для определения ограничений распространения цифрового сигнала в копланарной передающей линии. Для заинтересованных, PDF этой статьи можно найти здесь:

• Sain, Arghya, и Kathleen L. Melde. "Влияние размещения заземляющих переходов в заземленных копланарных волноводных соединениях." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 6, № 1 (2015): 136-144.

Должен признать, меня никогда так точно не спрашивали, может ли заземленный копланарный волновод поддерживать цифровой сигнал. Технически любой дизайн соединения может поддерживать любой цифровой сигнал, если он разработан правильно. Понятие "разработан правильно" варьируется в зависимости от типа линии передачи и зависит от геометрических параметров и параметров материала подложки. С учетом этого, давайте посмотрим на некоторые результаты для типичного заземленного копланарного волновода из вышеупомянутой статьи и увидим, как эти результаты предсказывают проблемы с распространением сигнала в заземленном копланарном волноводе.

Параметры S GCPW и цифровые сигналы

Ключ к ответу на этот вопрос заключается в анализе параметров S для заземленного копланарного волновода (GCPW). Параметры S зависят от нескольких факторов, а именно от расположения переходных отверстий (виас), расстояния до плоскостей и медного залива, а также от плотности переходных отверстий. Если вы можете симулировать или рассчитать параметры S для вашего GCPW, то вы сразу можете определить полосу пропускания цифрового сигнала, которую ваш GCPW может обеспечить при передаче мощности на приемник. Та же идея применима к любому другому соединению, включая другие копланарные конфигурации.

В статье, на которую я ссылаюсь выше, на самом деле рассматриваются три различных сопланарных конфигурации, которые показаны ниже. Здесь мы имеем три стандартные сопланарные конфигурации: (a) сопланарная без заземляющей плоскости, (b) сопланарная с заземляющей плоскостью и (c) стандартная GCPW с рядом переходных отверстий вдоль дорожки.

Соответствующая структура для анализа здесь - это GCPW в (c). Основной механизм, используемый для контроля S-параметров в GCPW:

• Расстояние от переходного отверстия до дорожки (VL): Это устанавливает резонансные частоты, соответствующие распространению волн по поперечному сечению дорожки. Большее расстояние перемещает резонансы на более низкие частоты.
• Шаг переходных отверстий (VP): Это устанавливает резонансные частоты, соответствующие рассеянию от стенок переходных отверстий; когда эти цилиндрические резонансы возбуждаются, будет сильная связь с близлежащей землей и, возможно, разрушительное вмешательство вдоль дорожки, приводящее к потере мощности.
• Пролет медного залива (SGW): Это определяет, насколько далеко вокруг дорожки медный залив простирается за край дорожки. Во многих практических ситуациях это можно считать бесконечностью.

Вы, вероятно, заметили, что толщина диэлектрика (H) не входит в этот список; мы используем это для установки импеданса в определенное значение. Это влияет на количество потерь, как я описал в другой статье о зазоре заземления. Значение H создает резонансы, и я объясню ниже, почему это важно. Три перечисленных выше параметра гораздо важнее для практических целей.

Основная структура, которая нас интересует для анализа, это GCPW в пункте (c), поскольку эту структуру можно свести к другим структурам. Например, (c) можно свести к (b), установив VL на бесконечность, а (b) можно далее свести к (a), взяв толщину подложки за бесконечность. Имея это в виду, давайте рассмотрим некоторые основные результаты из статьи.

Контроль S-параметров путем регулировки VP и VL

Значения VP и VL определяют, когда в вышеупомянутой структуре GCPW возбуждаются резонансы, и именно эти резонансы определяют, будут ли происходить большие падения в спектре S21. Хотя в этой статье недостаточно места, чтобы просмотреть каждое изменение параметра в документе, есть два графика, которые прекрасно иллюстрируют, как VP и VL влияют на S21 из-за разрешенных резонансов, которые могут быть возбуждены в сечении.

На изображении ниже мы видим, что уменьшение значений VL и VP выталкивает резонансы в структуре на более высокие частоты. Мы можем объяснить эти результаты с точки зрения резонансов в поперечно-сеченчатой структуре, показанной выше. Поведение, показанное на графике, именно то, которое мы ожидали бы; увеличение поперечных размеров полости уменьшит резонансные частоты полости, таким образом, мы ожидаем увидеть пики и впадины в данных S11 и S21 на более низких частотах.

Вот важное руководство, которое можно найти из приведенных выше данных:

• Если вы сделаете структуру меньше, вы можете увеличить резонансы низшего порядка до более высоких частот, и это увеличивает полосу пропускания в структуре. Это облегчает распространение цифровых сигналов в GCPW.

Помните, теоретически полоса пропускания цифровых сигналов простирается до бесконечности. Поэтому вы хотите иметь как можно больше полосы пропускания в вашем канале, чтобы предотвратить искажение сигнала. Высокие потери в долинах на приведенных выше графиках означают, что любая мощность, сосредоточенная в сигнале на этих частотах, будет потеряна. Если мы посмотрим на спектр мощности высокоскоростного цифрового сигнала в качестве примера, становится ясно, что более быстрые сигналы будут более склонны к ограничению полосы пропускания на постепенно более высоких частотах в более крупных каналах, потому что спектр мощности сигнала может перекрываться с антирезонансами канала.

Переход к копланарному волноводу без заземления

Другой способ обеспечить распространение цифрового сигнала - полностью убрать переходные отверстия (виас). Таким образом, у нас есть две крайности: переходные отверстия очень близко друг к другу и близко к дорожке или совсем без переходных отверстий! В последнем случае расстояние между дорожкой и землей установит предельную частоту TEM, которая ограничит полосу пропускания линии передачи.

На первый взгляд, регулировка параметров VL и SGW, вероятно, кажется наименее интуитивно понятной, пока вы не подумаете о том, как распределение медного залива через забор из переходных отверстий влияет на допустимые резонансы. Из данных S-параметра должно быть ясно, что распределение медного залива (SGW → бесконечность) и использование без заземляющих переходных отверстий снижает линию до практически отсутствия резонансов, пока вы не посмотрите в направлении распространения волны по оси z. В этом случае резонанс наименьшего порядка будет иметь длину волны 2H/(√Dk), где H - толщина диэлектрика между дорожкой и земляной плоскостью. Для подложки 10 mil с Dk = 3 это ставит первый резонанс на 346 ГГц!

Обратите внимание, что длина линии и SGW будут влиять на резонансы, поскольку они образуют резонансную полость вокруг линии, но на практике эти размеры могут быть очень большими и могут быть игнорированы. Как первый подход к этим дизайнам, сосредоточьтесь на установке VL и VP на меньшие значения, чтобы обеспечить максимизацию полосы пропускания.

Как добиться малой структуры

В заключение, GCPW может поддерживать распространение цифрового сигнала, пока параметры рассеяния не создают чрезмерных искажений сигнала, потерь или ослабления. Что касается рекомендаций по проектированию для GCPW, поддерживающего цифровой сигнал, мы должны максимизировать полосу пропускания без резонансов, следуя следующим рекомендациям:

1. Постарайтесь сделать VP как можно меньше. Это сложно, поскольку вам нужно минимизировать размер сверла (~6 мил), так что вы можете быть ограничены VP > 10-15 мил между центрами.
2. Постарайтесь сделать VL как можно меньше. Это также сложно, потому что вам нужно оставить те же зазоры кольцевой зоны в медном заливе, что и в обычном переходном отверстии, так что вы можете быть ограничены VL > 10-15 мил.

Если (1) и (2) могут быть выполнены, вы можете ожидать полос пропускания, достигающих десятков ГГц. Это подтверждается результатами в вышеупомянутой статье. Однако вы все равно должны протестировать свой собственный дизайн соединения.

Другой вариант — не размещать переходные отверстия (виас) в окружающем медном заливе и просто использовать структуру (a) или (b). Если мы подумаем о распространении, как оно зависит от резонансов в окружающей сопланарной структуре, мы видим, что структура (a) не имеет резонансов до примерно 1 ТГц (при условии, что расстояние от трассы до залива = 5 мил), поэтому она имеет самую широкую полосу без резонансов. Однако (a) имеет наименьшую эффективность экранирования. Для структуры (b), она не имеет резонансов до предположения SGW = бесконечность, таким образом, она также имеет полосу пропускания, достигающую сотен ГГц.

Когда вам нужно спроектировать линии передачи со стандартными геометриями и импедансом, вы можете использовать встроенный калькулятор импеданса в Менеджере Стека Слоёв в Altium Designer®. Все пользователи и члены их команд могут эффективно сотрудничать над сложными электронными проектами через платформу Altium 365™. Всё, что вам нужно для проектирования и производства сложной электроники, можно найти в одном программном пакете.

Мы только коснулись поверхности того, что возможно сделать с Altium Designer на Altium 365. Начните вашу бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.