Следует ли удалять землю под сетями согласования импеданса?

В сети согласования импедансов цель состоит в том, чтобы подобрать сопротивление, емкость и индуктивность цепи таким образом, чтобы максимизировать передачу мощности или напряжения к нагрузке. Контроль этих факторов вокруг цепи согласования импедансов на печатной плате связан с размещением и размером дорожек и земли, а также с их согласованием с контактными площадками на ваших дискретных компонентах. Чтобы устранить дополнительные паразитные эффекты от размера контактных площадок и дорожек, соединяющих эти компоненты, иногда необходимо изменить расположение земли вокруг компонентов цепи согласования импедансов.

Почему Может Потребоваться Удаление Земли

Во многих системах распространено создание цепей согласования импедансов из дискретных компонентов, обычно это SMD пассивные элементы. Иногда, когда земля убирается под сетью согласования импедансов, мы не полностью удаляем землю под этими цепями. Это связано с тем, что линии подачи, входящие в цепь и выходящие из нее, должны иметь целевой импеданс (обычно 50 Ом), поэтому земля все еще необходима в устройстве. Ваши варианты изменения расположения земли включают в себя:

• Использование земли на нижнем слое печатной платы и
• Размещение сопланарной земли вокруг сети согласования импедансов

Причина этого довольно проста: мы хотим уменьшить количество дополнительной паразитной емкости и индуктивности вокруг компонентов схемы согласования импеданса. Хорошо известно, что паразиты изменяют характеристики реальных пассивных элементов в высокочастотных схемах, создавая ограничение на ожидаемую величину потерь на обратном ходе на каждом порту. К сожалению, вы никогда не сможете избавиться от этой емкости площадок/дорожек на SMD компонентах, вы можете только попытаться минимизировать ее, чтобы схема работала как можно ближе к теоретическим характеристикам.

Поэтому, в некоторых случаях, может быть разумным изменить расположение земли вокруг этих компонентов. Мы хотим обеспечить, чтобы размеры площадок и дорожек на компонентах не создавали чрезмерной дополнительной паразитной емкости, которая изменяет импеданс конденсаторов и индуктивностей в сети согласования импедансов.

Очищенная земля в компоновке РЧ печатной платы

Пример ниже из нашего предыдущего проекта nRF52 показывает, как можно очистить землю; ниже показана схема согласующего фильтра Пи. Обратите внимание, что это хорошо соответствует рекомендациям по референсной плате nRF52 от Nordic. Здесь, для L1 используется сопланарная земля, и под сетью согласования импеданса на L6 находится равномерная земля. Земля очищается только под областью согласующей сети, и только на L2-L5.

Если посмотреть выше, то контактные площадки компонентов имеют некоторую емкость обратно к земле; это добавляет емкость к дискретным конденсаторам в схеме согласования импеданса. Та же идея применима к индуктивности, связанной с землей, и индуктивности выводов компонентов. Как мы можем очистить землю, не влияя на импеданс линии?

Во-первых, мы можем использовать сопланарную землю вокруг трасс для установления их характеристического импеданса в соответствии с целевым импедансом, соответствующим выходу чипа. Полигональный вырез используется только под подающей линией на внутренних слоях. Нижний слой имеет равномерное медное покрытие под схемой согласования импеданса. Верхний слой также имеет медное покрытие, но стандартное правило очистки было применено вокруг трасс и площадок на этих сетях, чтобы установить характеристический импеданс трасс в соответствии с целевым значением.

Теперь давайте рассмотрим пример, исходя из показанной выше схемы расположения RF элементов.

Насколько велико отклонение?

Чтобы определить отклонение, мы можем сравнить теоретический случай с реальным. Изначально у нас есть конденсатор 0402 и индуктор 0603. Если бы земля находилась непосредственно под этими площадками и соединяющими дорожками, то паразитические емкости на конденсаторе составляли бы около 3 пФ/дюйм и 7.5 нГн/дюйм на ламинате с Dk = 4. С копланарной конфигурацией и землей только на L6, показанной выше, паразитические емкости снижаются до примерно 2.75 пФ/дюйм и 6.9 нГн/дюйм. Мы можем выполнить аналогичные расчеты для площадок индуктора.

Общая паразитическая емкость и индуктивность, учитывая распределенные значения элементов выше, приведены ниже. Обратите внимание, что это учитывает только дорожки вокруг компонентов и площадки; это не учитывает самоиндукцию выводов корпуса.

Простое изменение расположения земли с L2 на L6 снижает паразитную емкость на 22,4%. С этими значениями теперь возможно включить эти паразитные эффекты в симуляцию и определить их влияние на выходное сопротивление сети.

Расчет индуктивности немного сложнее, поскольку он включает в себя некоторую петлевую индуктивность вокруг контактных площадок, а также индуктивность выводов, которые могут быть не так легко определены. Самоиндукция трассы в серии с индуктором также играет роль в определении общей индуктивности. В общем, небезопасно просто предполагать, что измененная индуктивность компенсирует измененную емкость.

Обратите внимание, что я включил вариант для всех компонентов 0402 вместо индуктора 0603. Мы видим, что есть снижение паразитной емкости от контактных площадок и трасс просто потому, что у индуктора 0603 контактные площадки больше, чем у индуктора 0402. Этот измененный пример показан ниже.

С этой конфигурацией мы получаем немного меньшую паразитную емкость, но это не много; это только снижение на 6,8% по сравнению с смешанными размерами компонентов. Во всех этих различных случаях важно теперь определить, будет ли это иметь значение в вашей конкретной системе.

Имеет ли это отклонение значение?

Чтобы определить, важны ли эта паразитная емкость и индуктивность, нам необходимо сравнить их значения с значениями компонентов, размещенных на печатной плате.

В приведенном выше примере nRF52 значения конденсаторов в согласующей сети составляли 1.2 пФ. С дополнительной емкостью 0.4388 пФ, эта сеть ведет себя так, как будто имеет общую емкость 2.8388 пФ. В результате получается снижение импеданса примерно на 5 Ом от целевого импеданса. Предположим на момент, что схема без паразитных элементов была идеально согласована с 50 Ом; если бы мы использовали эту реальную сеть согласования импеданса для преобразования к целевому импедансу 50 Ом, то полученное значение обратных потерь составило бы S11 = -27.5 дБ.

Что если бы наши конденсаторы были 1.2 нФ? В этом случае дополнительная паразитная емкость была бы едва заметна и не оказала бы никакого влияния на наш π-фильтр. В общем, если дополнительная паразитная емкость значительно меньше дискретной емкости, то ее можно игнорировать; то же самое касается и индуктивности.

Обратите внимание, что этот дизайн с индуктором 0603 был протестирован на плате клиента, и было установлено, что он работает в соответствии с техническими условиями, поэтому я был бы уверен в использовании такой же схемы в этом проекте. Однако, вышеизложенные моменты следует учитывать, если вы хотите использовать этот дизайн в своих проектах. Вышеупомянутые концепции довольно важны для практических компонентов, работающих в диапазоне 1-6 ГГц, где требуются сети согласования импеданса.

Причина, по которой земля может быть удалена чаще в системах, работающих в диапазоне 1-6 ГГц, заключается в том, что используемые в этих сетях согласования импеданса конденсаторы могут быть очень малы (~1 пФ). ~1 пФ дискретной емкости в сети аналогичен ожидаемой паразитной емкости вокруг линии 50 Ом на ламинате с Dk ~ 4. Эта паразитная емкость по существу существует параллельно с дискретной емкостью, и вместе это может изменить условие согласования.

Где сеть согласования на более высоких частотах?

На частотах выше WiFi вы можете не увидеть никаких сетей согласования импеданса на ваших РЧ-соединениях, предназначенных для работы на 50 Ом. Существует две важные причины для этого:

• Большинство ИС для радиочастотных приложений включают в себя сеть согласования импеданса прямо на кристалле
• . Радиочастотные цепи или антенны обычно создаются специально для работы на целевом импедансе.

Возьмем, к примеру, радиолокационные передатчики. Миллионы автомобилей и специализированных датчиков используют эти передатчики, и на всех этих платах вы не увидите сетей согласования импеданса. В этих системах нас беспокоит паразитная емкость вокруг печатной платы, особенно на мощных радиочастотных усилителях, но мы не размещаем сети согласования импеданса с мелкими дискретными компонентами на печатной плате, и уж точно не убираем землю под выводами приема и передачи.

Теперь рассмотрим патч-антенну с последовательным питанием, работающую на частоте ~77-78 ГГц, показанную ниже. Эта антенна намеренно разработана для работы на 50 Ом. Обычно у отдельной патч-антенны (или простой печатной микрополосковой антенны) может быть входное сопротивление 200-300 Ом. Причина, по которой у показанной ниже антенны входное сопротивление составляет 50 Ом, заключается в ее малом размере и использовании линий согласования с дробной длиной волны для соединения патчей. Это также обеспечивает широкую полосу излучения, как показано на графике возвратных потерь ниже.

Я привожу эти примеры, чтобы проиллюстрировать следующую важную мысль: не удивляйтесь, если вы не увидите сеть согласования импеданса, построенную из дискретных компонентов, когда ваша РЧ-система работает на очень высоких частотах. Эти компоненты обычно включают землю под их TX и RX выводами, а также более сложный запуск сигнала, расположенный вокруг монтажного вывода на печатной плате.

Всякий раз, когда вам нужно спроектировать макет РЧ печатной платы с сетью согласования импеданса, убедитесь, что вы используете полный набор инструментов для проектирования и производства печатных плат в Altium Designer®. Как только вы закончите макет печатной платы и будете готовы поделиться производственными данными, вы можете легко обмениваться данными и отправлять файлы вашей команде с помощью платформы Altium 365™.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните ваш бесплатный пробный период Altium Designer + Altium 365 сегодня.