Используйте маршрутизацию миллиметровых волн с помощью линии передачи с выбором режима

Высокоскоростные печатные платы поднимают скорости передачи данных до стратосферных высот, предъявляя строгие требования к соединениям для обеспечения целостности сигнала и низких потерь. В одной из предыдущих статей я обсуждал маршрутизацию с использованием интегрированных в подложку волноводов для РЧ печатных плат как один из вариантов маршрутизации высокочастотных сигналов. Такой тип линии передачи обеспечивает отличную изоляцию и подходит для простых переходов к антеннам, но это не единственный вариант маршрутизации для высокочастотных конструкций.

Линия передачи с выбором моды - это один из вариантов конфигурации копланарного волновода для маршрутизации сигналов между компонентами на очень высоких частотах. Цель использования линии передачи с выбором моды или другой геометрии заключается в обеспечении маршрутизации с низким дисперсионным распространением и низкими потерями в определенных полосах пропускания с одномодовым распространением. В этой статье я представлю этот простой вариант копланарных волноводов и как вы можете использовать линии передачи с выбором моды для обеспечения маршрутизации с высокой изоляцией с выбором моды для РЧ-приложений.

Высокие скорости преодолевают разрыв с РЧ-дизайном

Независимо от того, являетесь ли вы цифровым дизайнером или дизайнером РЧ, тенденция к увеличению частот высокоскоростных цифровых каналов заставляет всех обращаться к концепциям РЧ-дизайна в процессе разработки. Джон Кунрод, который, кстати, является одним из моих любимых спикеров по этой важной теме, очень красноречиво заявляет, что концепции РЧ-дизайна будут критически важны для целостности цифровых сигналов, поскольку мы приближаемся к временам нарастания сигнала в 1 пс в практических приложениях. Но что именно заставляет нас сталкиваться с пределами стандартных геометрий трассировки, и что можно с этим поделать?

Помните, стандартная трасса печатной платы является линией передачи TEM, что означает, что волна, распространяющаяся вдоль трассы, приблизительно является плоской волной. Это сохраняется на низких частотах до тех пор, пока вы не начнете достигать средних частот в ГГц (значительно выше частот WiFi!). Когда вы достигаете достаточно высоких частот, вы начнете замечать поведение электромагнитного поля, которое полностью возникает из-за распространения волны в структуре. Вот где альтернативная геометрия линии передачи может быть полезной для подавления высших (не-TEM) мод и обеспечения распространения к приемнику в желаемом диапазоне частот.

Трассировка с альтернативами линиям передачи TEM

По причинам, которые я перечислил выше, некоторые геометрии волноводов могут быть более идеальными на очень высоких частотах и для приложений с очень высокой скоростью передачи данных, поскольку их можно спроектировать так, чтобы они позволяли маршрутизацию в одном режиме, или, точнее, предотвращали возбуждение не-ТЕМ мод в волноводе печатной платы. Некоторые из этих альтернативных геометрий маршрутизации:

• Интегрированный в подложку волновод. Посмотрите эту статью, чтобы узнать больше об этих структурах. Я использовал их со щелью на поверхности для соединения с обычным фланцем микроволнового волновода.
• Коаксиальный стриплайновый волновод. Этот тип волновода имеет стриплайн, проложенный внутри интегрированного в подложку волновода, что включает в себя всего 3 слоя. Стенка сквозного отверстия в этом волноводе обеспечивает изоляцию и позволяет выбирать различные режимы.
• Линия передачи с выбором режима. Это вариация на тему маршрутизации копланарного волновода и предоставляет многие из тех же преимуществ.

Если посмотреть в исследовательскую литературу, эти альтернативные стили трассировки существуют уже давно и показали свою жизнеспособность для трассировки на частотах до сотен ГГц. Эти волноводные структуры просты в производстве с использованием стандартных технологий изготовления, но даже они имеют ограничения, когда мы переходим к чрезвычайно высоким частотам. Среди них линия передачи с выбором моды (MSTL) может быть легко изготовлена с использованием геометрии заземленного копланарного волновода (GCPW), как показано ниже.

Поведение MSTL на высоких частотах (TE-моды)

Конкретные моды, которые будут возбуждены, зависят от нескольких факторов, но в первую очередь это зависит от геометрии соединения. В частности, с увеличением частоты сигнала будут возбуждаться поперечные моды в обычных микрополосковых или стриплайновых дорожках, что нежелательно как для цифровой, так и для РЧ трассировки. Это причина, по которой мы сталкиваемся с пределами целостности сигнала обычных линий передачи, особенно потому, что мы так ограничены стандартным процессом изготовления печатных плат. Для дизайнеров, которым необходимо трассировать на высоких частотах в ГГц, вы можете сконструировать структуру GPCW так, чтобы она демонстрировала структуру MSTL, если вы разрабатываете РЧ систему, или вы можете сконструировать ее так, чтобы она имела максимальную пропускную способность для цифрового сигнала, если вы работаете с системой высокоскоростной цифровой передачи.

Чтобы понять, как это происходит, посмотрите на графику ниже. Здесь у нас есть некоторые параметры, которые мы можем использовать для контроля частот мод в этой структуре. На низких частотах структура будет действовать как простой ВЧ волновод, потому что распространяющаяся волна находится ниже резонанса. Выше некоторой более высокой частоты моды в структуре возбуждаются, что приводит к пикам и впадинам в спектрах S-параметров. Каждая мода более высокого порядка в структуре имеет частоту среза, и простое возбуждение структуры выше частоты среза заставит электромагнитное поле распространяться через структуру в не-ВЧ режиме. Эта возможность возбуждения мод более высокого порядка является одним из фундаментальных ограничений на ВЧ передающих линиях.

Если вы посмотрите на вышеупомянутый источник и эту статью о цифровых сигналах в копланарных волноводах, вы найдете соответствующие данные S-параметров, которые помогут объяснить пики потерь мощности, показанные выше.

Причина всего этого заключается в распространении волн через структуру, которое может вызвать формирование мод на стандартном соединении. Когда несущая частота волны становится достаточно высокой, она может возбудить некоторые моды в структуре линии передачи на печатной плате. Это создаст пики и впадины в спектрах потерь на вставке и возвратных потерях. Если у вас цифровой сигнал, эти пики потерь мощности говорят о том, что сигнал может исказиться. Для аналогового сигнала это ограничивает частоту сигнала определенными диапазонами, где чрезмерные потери и искажения не произойдут.

Не является ли это просто заземленным копланарным волноводом?

Да! Но то, что делает этот тип волновода важным, так это ширина по сравнению с длиной волны несущего сигнала. Расстояние между переходными отверстиями (виас) является самым важным механизмом, который вы бы использовали для контроля полезной полосы пропускания. Это простое изменение ширины между переходными отверстиями не единственное отличие между заземленным копланарным и выборочно-модовой линией передачи, но это основной момент, используемый для прогнозирования возбуждения мод и нарушения стандартной линии передачи TEM.

Чтобы сравнить, что происходит при поведении GCPW и MSTL, посмотрите на следующую графику. Эта графика показывает, что происходит, когда частота сигнала становится очень высокой и вызывает возбуждение не-ТЕМ мод. ТЕМ-мода не создает возбуждение продольного магнитного поля (Hz = 0 в верхнем ряду). На более высоких частотах мы теперь имеем возбуждение ТЕ-моды, которая будет иметь продольную компоненту поля.

В типичной микрополоске или стриплайне в конечном итоге будут возбуждены моды волновода с параллельными пластинами. К сожалению, в этих геометриях нет способа подавить эти моды, кроме как сделать ламинат тоньше, что в конечном итоге достигнет своего предела и не применимо во всех конструкциях.

Как показано выше, волноводы имеют геометрические параметры, которые могут быть настроены для разрешения или подавления различных мод путем выбора соответствующей геометрии. Структура линии передачи, выбирающей моды, придает ей следующие характеристики:

• Высокая изоляция. Это основное преимущество маршрутизации в любом волноводе, включая линию передачи, выбирающую моды. Заземленный забор из переходных отверстий по краю обеспечивает экранирование от других трасс.
• Подавление мод.Режимы в линии передачи с выбором режима - это комбинация режима интегрированного в подложку волновода и квази-ТЕМ режима для центрального проводника. Расстояние между сквозными отверстиями вдоль края может использоваться для подавления режимов волновода в подложке, чтобы обеспечить одномодовое распространение.
• Широкополосное низкое дисперсионное распространение. Подавляя поверхностную волну, вы обеспечиваете плоскую дисперсию на более широкой полосе пропускания, чем в микрополосковой или стриплайновой линии. Поддерживая низкую дисперсию на более широкой полосе пропускания, достигается меньшее искажение и отклонение от целевого импеданса, что также подавляет межсимвольные помехи, видимые на приемнике.

Прокладка линии передачи с выбором режима на вашей печатной плате

Прокладка геометрии копланарного волновода, такой как линия передачи с выбором режима, требует правильного набора инструментов CAD. Вот простая процедура для прокладки этих линий:

1. Рассчитайте волновой импеданс для желаемого режима, с которым вы будете работать. Для этого просто рассчитайте требуемую постоянную распространения и используйте стандартное уравнение волнового импеданса из учебника по РЧ-дизайну.
2. Установите требуемое расстояние между вашими сетями линии передачи с выбором режима и любыми близлежащими заземленными полигонами.
3. Заполните область вокруг ваших проложенных сетей заземленной медью.
4. Разместите сквозные отверстия на выбранном полигоне, чтобы достичь ваших целей VL, VP и SGW.

Приведенная ниже структура разработана для обеспечения импеданса 50 Ом на частотах до 127,2 ГГц. Она проложена на 30 мил RO3003 для обеспечения характеристик низких потерь. Тем не менее, требуется провести некоторую проверку на соответствие требованиям производства (DFM), чтобы убедиться, что ее можно изготовить, но начальные размеры промежутков, размеры переходных отверстий (via) и разделение стенок отверстий уже подходят для структуры, чтобы обеспечить низкие потери и низкое искажение распространения волн.

Показано, что данная геометрия линии передачи позволяет передавать данные со скоростью в терабиты в секунду, и она может вскоре стать критически важной частью ландшафта высокоскоростного проектирования. В приведенном выше примере для линии РЧ, если мы хотели бы возбудить определенный режим в структуре, мы могли бы изменить VL и VP так, чтобы первый пороговый режим был на более низкой частоте. Чтобы узнать больше о теории линий передачи с выборочным возбуждением режимов, прочтите эту статью из IEEE (упомянутую выше).

Интерактивные функции трассировки и создания стека слоев в Altium Designer^® предоставляют вам свободу проектирования любых видов соединений, которые вы можете себе представить. Менеджер стека слоев обеспечивает высокоточные расчеты импеданса для стандартных геометрий дорожек, или вы можете использовать инструменты CAD в редакторе PCB для проектирования собственных нестандартных геометрий, таких как линии передачи с выбором режима. Когда вы будете готовы отправить файлы изготовления платы и чертежи вашему производителю, платформа Altium 365^™ упрощает сотрудничество и обмен проектами.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Ознакомьтесь с нашими гибкими вариантами лицензирования для Altium Designer + Altium 365 сегодня.