Маршрутизация интегрированных в подложку волноводов для печатных плат миллиметрового диапазона

Применение сигналов миллиметрового диапазона (mmWave) раньше ограничивалось оборонной сферой, но теперь системы mmWave становятся всё более распространёнными. Благодарить за это стоит радары автомобилей, радары БПЛА, предстоящее внедрение 5G и текущие исследования 6G, которые выводят технологию mmWave на массовый уровень. Маршрутизация с сигналами mmWave заставила дизайнеров пересмотреть свои практики прокладки маршрутов и дизайн соединений. Это мотивировало многие исследовательские группы и инновационные компании разрабатывать новые структуры соединений, которые обеспечивают малопотерьную маршрутизацию на коммерчески доступных подложках для печатных плат.

Заземленный копланарный волновод (и его варианты) вероятно является наиболее известной структурой соединения среди инженеров РЧ, работающих с микроволновыми частотами. Одна из структур маршрутизации, называемая интегрированным в подложку волноводом, предлагает полезную альтернативу, идеально подходящую для инженерии электромагнитного поля вдоль соединения. Благодаря таким людям, как Джон Кунрод, эта технология, вероятно, станет более популярной среди дизайнеров РЧ печатных плат, поскольку она предлагает несколько преимуществ по сравнению с другими дизайнами соединений. Давайте рассмотрим эту уникальную структуру волновода и её преимущества для маршрутизации mmWave.

Что такое интегрированный в подложку волновод?

Представьте себе старинный металлический прямоугольный волновод, который обеспечивает направление акустических или электромагнитных волн за счет отражения. Эту простую конструкцию можно реализовать на печатной плате между двумя параллельными полосами меди. Боковые медные линии стенок формируются из металлизированных сквозных отверстий, создавая металлическую структуру, которая заполнена диэлектриком. Такой тип структуры называется интегрированным в подложку волноводом.

Такие волноводы довольно просто формируются на печатной плате; ниже показана схема примера волновода. Здесь межсоединение эффективно занимает два слоя, и конический микрополосковый соединитель на поверхностном слое может использоваться для ввода сигнала в эту структуру.

Структура интегрированного в подложку волновода

Эти системы функционируют аналогично прямоугольным волноводам тем, что имеют набор мод, который определяется их геометрией. Математически, набор собственных функций, описывающих пространственное распределение электромагнитного поля, такой же, как и для типичного прямоугольного волновода; каждая собственная функция имеет специфическое волновое число и длину волны, которые затем комбинируются для формирования и определения пространственного распределения поля вдоль волновода. Приблизительное волновое число для распространяющегося режима (W и H - соответственно ширина и высота структуры):

Распространяющееся волновое число (приближение) для эквивалентного диэлектрического волновода.

В случае, если значения n и m слишком велики, ваш сигнал не сможет возбудить определенный режим. Это означает, что частота сигнала и геометрия структуры будут определять, какие режимы будут возбуждены.

В общем случае, вы можете возбудить режим TE10, просто подобрав размер волновода для соответствия желаемой частоте сигнала; все другие режимы более высокого порядка будут затухать и не будут распространяться через структуру. Волновое число для режима TE10:

Распространяющееся волновое число для режима TE10. Дизайнер может свободно выбирать omega, a, W и d для выбора конкретных режимов.

Здесь стандартное требование для обеспечения ограничения в структуре волновода заключается в том, что расстояние между сквозными отверстиями (s) должно быть меньше, чем удвоенный диаметр сквозного отверстия (d), и что a должно быть больше, чем в 5 раз диаметр сквозного отверстия. Аналогичные условия могут быть выведены для возбуждения других режимов на желаемой частоте. Это позволяет вам разрабатывать распределение поля, необходимое для антенны, соединителя, усилителя/резонатора или другого пассивного РЧ устройства.

Преимущества интегрированных на подложке волноводов

Основным преимуществом интегрированного на подложке волновода является его меньшие потери по сравнению с микрополосками, стриплайнами и заземленными копланарными волноводами. Если вы работаете в диапазоне Ka или ниже, микрополоски и стриплайны обеспечивают аналогичные потери, как и заземленные копланарные волноводы. Выше диапазона Ka и глубже в диапазон V, заземленные копланарные волноводы обеспечивают меньшие потери, хотя потери на вставке все еще достигают -6 дБ и увеличиваются на 0,1 дБ/ГГц выше 40 ГГц. Ознакомьтесь с этим постом от Джона Кунрода для хорошего сравнения потерь на вставке микрополоски, стриплайна и заземленного копланарного волновода.

Некоторые исследования показали, что соединения интегрированного на подложке волновода обеспечивают меньшие потери до 80 ГГц на коммерчески доступных подложках с низкими потерями (например, ламинатах Rogers, Duroid или Isola). Потери на вставке могут достигать примерно -6 дБ в диапазоне V/M (смотрите здесь на примере в экспериментальной сети 5G), в зависимости от используемого расстояния между переходными отверстиями в структуре. Низкие потери в этих волноводах делают их идеальными для использования в дизайне цепи передачи РЧ сигналов, особенно в схемах, где критична передача высокой мощности.

Эта система по своей сути открыта и может служить источником излучаемых электромагнитных помех для близлежащих цепей. Обеспечение надлежащего ограничения поля в этих структурах требует правильного размещения переходных отверстий (виас) вдоль длины волновода, аналогично случаю размещения забора из виас вдоль границы области антенны или края платы для подавления резонансов в полости.

Возможность выбора режимов распространения волн в волноводе делает эту структуру идеальной для проектирования многопортовых РЧ-соединителей, щелевых антенн и других пассивных РЧ-структур, которые зависят от взаимодействия между режимами для передачи поля между этими структурами. Если вы заинтересованы в проектировании собственного интегрированного в подложку волновода, вам потребуется использовать 3D-решатель электромагнитного поля или следовать результатам, представленным другими в литературе. Для быстрого руководства по размерам ваших виас (диаметр и расстояние между ними), смотрите эту статью.

Вам также понадобится подходящее программное обеспечение для проектирования печатных плат, если вы хотите создать новую компоновку с интегрированными в подложку волноводами. Уникальная среда проектирования в Altium Designer^® позволяет вам создавать передовые платы для цифровых или высокочастотных РЧ систем с широким спектром возможностей компоновки и трассировки. Altium Designer также предоставляет вам доступ к полному набору инструментов постпроектировочного моделирования для анализа целостности сигнала.

Теперь вы можете скачать бесплатную пробную версию Altium Designer и узнать больше о лучших в отрасли инструментах для проектирования, моделирования и планирования производства. Поговорите с экспертом Altium уже сегодня, чтобы узнать больше.