Как компенсировать потери в импедансе линии передачи

Шероховатость меди, пожалуй, является тем фактором, который создает наибольшую неопределенность в импедансе линии передачи. Да, разные решатели имеют различные суммарные модели и методы расчета, которые используются для определения значения импеданса, но попытка рассчитать влияние шероховатости вносит новую неопределенность. Это связано с зависимостью импеданса на основе шероховатости от конкретной используемой модели и диапазона частот, где шероховатость оказывает значительное влияние.

Потери в диэлектрике также приводят к тому, что фактический импеданс линии передачи сильно отличается от значения импеданса без потерь, которое вы бы рассчитали с помощью типичного калькулятора линий передачи.

В этой статье я представлю простой способ учета шероховатости в широком диапазоне частот, который применим вплоть до диапазона 30 ГГц. Это покроет большинство цифровых приложений и скоростей передачи данных, предоставляя быстрый способ компенсации шероховатости при расчете импеданса линии передачи без потерь.

Потери Необходимо Учитывать в Расчетах Импеданса

Проблема с включением расчета шероховатости меди не в использовании модели, так как в современном программном обеспечении для электронного проектирования доступно множество моделей. Первое, что нужно помнить:

Только импеданс без потерь будет постоянным значением на всех частотах!

Если вы работаете в диапазоне частот, где велика роль шероховатости меди и диэлектрических потерь (выше ~3 ГГц), вам нужно будет понять, что импеданс дорожки теперь будет изменяться в зависимости от частоты. В результате дизайнеры часто подходят к задаче расчета импеданса линии передачи следующим образом:

• Дизайнер использует калькулятор, например, Layer Stack Manager в Altium Designer, Polar Instruments или онлайн-калькулятор, чтобы определить ширину для точного импеданса 50 Ом
• После завершения проекта, когда они симулируют или измеряют S-параметры, дизайнер обнаруживает, что фактический импеданс дорожки сильно отличается от импеданса без потерь

Вышеизложенное относится как к однопроводным, так и к дифференциальным дорожкам. Должно быть ясно, что нам нужен какой-то метод для оценки отклонения импеданса из-за потерь, чтобы наш расчет импеданса без потерь был действительно полезен. Как мы увидим ниже, отклонение из-за потерь является функцией тангенса угла диэлектрических потерь.

Пример микрополосковой линии с высоким тангенсом угла потерь (Df = 0.02 при 1 ГГц)

Давайте рассмотрим, что происходит, когда у нас есть микрополосковый проводник с защитной маской (Dk = 3.5/Df = 0.02 @ 10 МГц), и мы сравним импеданс грубой трассы с идеальным безпотерьным импедансом. Какое отклонение мы можем ожидать из-за шероховатости трассы и диэлектрических потерь?

На изображении ниже показан фактический импеданс для трассы, спроектированной ровно в 50 Ом, определенный с использованием Simbeor. Я использовал нулевую шероховатость, шероховатость 0,75 микрона, 1,5 микрона и 2 микрона, чтобы показать, как кривые изменяются из-за шероховатости (модифицированная модель Хаммерстада).

Спектр импеданса для микрополоскового проводника шириной 7.973 mil (медь 1 oz.) на FR4 толщиной 4.5 mil (Dk = 4, Df = 0.02 @ 1 ГГц) без фактора травления. Импеданс микрополоски ровно 50 Ом при нулевой шероховатости.

Как мы видим, на очень низких частотах (~1 ГГц) наблюдается некоторое отклонение импеданса из-за скин-эффекта и тангенса угла потерь, но импеданс сходится к нашему целевому характеристическому импедансу в 50 Ом. В этих диапазонах частот потери на вставке обычно очень низкие, и проектирование с учетом характеристического импеданса обычно обеспечивает возвратные потери от -20 дБ до -30 дБ, что более чем приемлемо для цифровых интерфейсов с скоростью передачи данных ~1 Гбит/с.

Вывод: для типичных значений тангенса угла потерь 0.02 и типичных значений среднеквадратичной шероховатости 2 микрона, ошибка импеданса без потерь составляет около 1.5%.

Пример микрополосковой линии с низким тангенсом угла потерь (Df = 0.005 на 10 ГГц)

Теперь давайте посмотрим, что происходит в случае с более низким Df. Предположим, что мы используем ламинат с меньшими потерями толщиной 4.1 мил с Dk = 3.5/Df = 0.005 на 10 ГГц; эти значения находятся в диапазоне Megtron 5 или 6. Уменьшенная толщина ламината 4.1 мил обеспечивает постоянную ширину этих линий 7.973 мил для целевого импеданса без потерь 50 Ом.

На графике ниже показан тот же расчет, где мы вычисляем точное значение характеристического сопротивления 50 Ом без шероховатости (что дает ширину = 7,973 мил), затем мы добавляем шероховатость меди.

Спектр импеданса для микрополоски шириной 7,973 мил (медь 1 унция) на продвинутом FR4 толщиной 4,1 мил (Dk = 3.5, Df = 0.005 при 10 ГГц) без фактора травления. Импеданс микрополоски точно 50 Ом без шероховатости.

Здесь мы видим немного лучшие результаты, поскольку ошибка на более высоких частотах ниже. Однако это происходит только потому, что потери в диэлектрике не доминируют до достижения более высоких частот, что и ожидается при низком тангенсе угла потерь. Коррекция импеданса все еще требуется для компенсации шероховатости, но значение ниже, потому что диэлектрические потери были снижены.

Вывод: для низких тангенсов угла потерь <0.02 и типичных значений среднеквадратичной шероховатости 2 микрона, ошибка импеданса без потерь составляет около 1,5 процента на низких частотах и около 1,0% на высоких частотах.

Путь вперед

Не каждый имеет доступ к симуляторам вроде Simbeor, Polar или подобным инструментам для определения импеданса линии передачи с потерями. Однако вы можете следовать простому практическому правилу, используя калькулятор импеданса без потерь для линии передачи, чтобы учесть диэлектрические и медные потери.

Поскольку калькулятор импеданса без потерь может недооценить потери импеданса на несколько процентов выше 1 ГГц, лучше всего просто выбрать немного большую ширину, которая даст немного меньший импеданс. Если вам нужна линия 50 Ом, рассчитайте линию 48,5-49 Ом, если вы работаете на этих высоких частотах. Это обеспечит, что потери приблизят импеданс вашей линии передачи к 50 Ом на широком диапазоне частот.

Чтобы узнать больше, прочитайте следующие статьи:

• Какое количество шероховатости медной поверхности слишком велико?
• Как шероховатость медной фольги влияет на ваши сигналы и импеданс

Независимо от того, нужно ли вам строить надежную силовую электронику или передовые цифровые системы, используйте полный набор функций для проектирования печатных плат и мирового класса инструменты CAD в Altium Designer®. Для реализации сотрудничества в современной междисциплинарной среде, инновационные компании используют платформу Altium 365™ для легкого обмена данными проектирования и запуска проектов в производство.

Мы только начали раскрывать возможности Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.