Câu hỏi Altium Live: Tín hiệu số trong một dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp đất?

Trong bài nói chuyện gần đây của tôi tại AltiumLive 2022 CONNECT, có một câu hỏi rất thú vị từ khán giả. Một người đã hỏi liệu có thể đưa tín hiệu số qua một đường dẫn sóng đồng bằng có tiếp đất hay không. Đây là một câu hỏi thú vị đòi hỏi phải xem xét các thông số S của đường dẫn sóng, và đó chính là điều chúng ta sẽ xem xét trong bài viết này.

Trong phiên hỏi đáp, tôi đã tham khảo một bài báo trong tài liệu tham khảo chứa một bộ dữ liệu S-parameter được mô phỏng và đo lường cho các đường dẫn sóng đồng bằng có tiếp đất, và tôi đã nhắc đến kết quả này có thể được sử dụng để xác định giới hạn của sự truyền dẫn tín hiệu số trong một đường truyền đồng bằng. Đối với những ai quan tâm, PDF của bài báo này có thể được tìm thấy tại đây:

• Sain, Arghya, và Kathleen L. Melde. "Ảnh hưởng của việc đặt via tiếp đất trong các kết nối đường dẫn sóng đồng bằng có tiếp đất." IEEE Transactions on Components, Packaging and Manufacturing Technology 6, số 1 (2015): 136-144.

Tôi phải thừa nhận, tôi chưa bao giờ được hỏi một cách ngắn gọn như vậy liệu một đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp đất có thể hỗ trợ tín hiệu số hay không. Về mặt kỹ thuật, bất kỳ thiết kế kết nối nào cũng có thể hỗ trợ bất kỳ tín hiệu số nào miễn là nó được thiết kế đúng cách. Khái niệm "thiết kế đúng cách" thay đổi tùy theo loại đường truyền và phụ thuộc vào các thông số hình học và thông số vật liệu nền. Với điều này trong tâm trí, hãy xem một số kết quả cho một đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp đất điển hình từ bài báo trên và xem những điều này dự đoán như thế nào về thách thức truyền tín hiệu trong một đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp đất.

Tham số S của GCPW và Tín hiệu Số

Chìa khóa để trả lời câu hỏi này đòi hỏi phải xem xét các tham số S cho một đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp đất (GCPW). Các tham số S bị ảnh hưởng bởi một số yếu tố, cụ thể là vị trí đặt via, khoảng cách đến các mặt phẳng và đổ đồng, và mật độ via. Nếu bạn có thể mô phỏng hoặc tính toán các tham số S cho GCPW của mình, thì bạn có thể ngay lập tức xác định dải tần tín hiệu số mà GCPW của bạn có thể chứa đựng khi nó truyền năng lượng cho một bộ thu. Ý tưởng tương tự cũng áp dụng cho bất kỳ kết nối nào khác, bao gồm cả các sắp xếp đồng mặt phẳng khác.

Bài báo mà tôi trích dẫn ở trên thực sự xem xét ba sắp xếp đồng phẳng khác nhau, được hiển thị dưới đây. Tại đây, chúng ta có ba sắp xếp đồng phẳng tiêu chuẩn: (a) đồng phẳng không có mặt đất, (b) đồng phẳng có mặt đất, và (c) GCPW tiêu chuẩn với hàng rào via bao quanh dấu vết.

Cấu trúc liên quan cần phân tích ở đây là GCPW trong (c). Cơ chế chính được sử dụng để kiểm soát các S-parameters trong GCPW là:

• Khoảng cách từ via đến dấu vết (VL): Điều này thiết lập các tần số cộng hưởng tương ứng với sự truyền sóng qua phần cắt ngang của dấu vết. Khoảng cách lớn hơn di chuyển các cộng hưởng đến tần số thấp hơn.
• Khoảng cách giữa các via (VP): Điều này thiết lập các tần số cộng hưởng tương ứng với sự phản xạ từ các bức tường via; khi những cộng hưởng hình trụ này được kích thích, sẽ có sự kết hợp mạnh vào mặt đất gần đó và có thể là sự can thiệp phá hủy dọc theo dấu vết, dẫn đến mất công suất.
• Khoảng mở rộng của đổ đồng (SGW): Điều này xác định khoảng cách xung quanh dấu vết mà đổ đồng mở rộng ra ngoài mép của dấu vết. Trong nhiều tình huống thực tế, điều này có thể được coi là vô hạn.

Có lẽ bạn đã nhận thấy rằng độ dày của điện mô (H) không nằm trong danh sách này; chúng tôi sử dụng điều này để thiết lập trở kháng với một giá trị cụ thể. Nó ảnh hưởng đến lượng tổn hao, như tôi đã mô tả trong một bài viết khác về khoảng cách đất. Giá trị của H tạo ra cộng hưởng, và tôi sẽ giải thích tại sao điều đó quan trọng ở phía dưới. Ba tham số được liệt kê ở trên quan trọng hơn nhiều cho mục đích thực tế.

Cấu trúc chính mà chúng ta quan tâm khi phân tích là GCPW trong (c) vì cấu trúc này có thể được giảm xuống các cấu trúc khác. Ví dụ, (c) có thể được giảm xuống (b) bằng cách thiết lập VL thành vô cực, và (b) có thể được giảm tiếp xuống (a) bằng cách lấy độ dày của nền tảng thành vô cực. Với điều này trong tâm trí, hãy xem một số kết quả chính từ bài báo.

Điều chỉnh các tham số S bằng cách điều chỉnh VP và VL

Các giá trị của VP và VL sẽ quyết định khi nào các cộng hưởng được kích thích trong cấu trúc GCPW ở trên, và chính những cộng hưởng này quyết định liệu có xuất hiện những sụt giảm lớn trong phổ S21 hay không. Mặc dù không đủ không gian trong bài viết này để xem xét từng biến thể tham số trong bài báo, có hai đồ thị minh họa một cách đẹp đẽ cách mà VP và VL ảnh hưởng đến S21 do các cộng hưởng được phép kích thích trong mặt cắt.

Trong hình dưới đây, chúng ta có thể thấy rằng giảm giá trị của VL và VP sẽ đẩy các cộng hưởng trong cấu trúc ra các tần số cao hơn. Chúng ta có thể giải thích kết quả này dựa trên các cộng hưởng trong cấu trúc mặt cắt được hiển thị ở trên. Hành vi được hiển thị trong đồ thị chính xác là những gì chúng ta mong đợi; tăng kích thước bên của khoang sẽ giảm tần số cộng hưởng của khoang, do đó chúng ta sẽ mong đợi thấy các đỉnh và thung lũng trong dữ liệu S11 và S21 ở các tần số thấp hơn.

Đây là hướng dẫn quan trọng mà người ta tìm thấy từ dữ liệu trên:

• Nếu bạn làm cho cấu trúc nhỏ hơn, bạn có thể tăng cộng hưởng bậc thấp nhất lên các tần số cao hơn, và điều này tăng băng thông trong cấu trúc. Điều này làm cho việc truyền tín hiệu số trong GCPW trở nên dễ dàng hơn.

Hãy nhớ rằng, băng thông tín hiệu số lý thuyết có thể mở rộng đến vô cực. Do đó, bạn sẽ muốn có càng nhiều băng thông trong kênh của mình càng tốt để ngăn chặn sự méo tín hiệu. Những thung lũng mất mát cao trong các biểu đồ trên có nghĩa là bất kỳ công suất nào tập trung trong tín hiệu ở những tần số đó sẽ bị mất. Nếu chúng ta xem xét phổ công suất của một tín hiệu số tốc độ cao làm ví dụ, rõ ràng là các tín hiệu nhanh hơn sẽ có khả năng gặp phải giới hạn băng thông ở các tần số cao hơn trong các kênh lớn hơn bởi vì phổ công suất của tín hiệu có thể chồng lấn với các chống cộng hưởng của kênh.

Giảm xuống còn Dẫn sóng Coplanar Không có Mặt đất

Cách khác để đảm bảo sự truyền dẫn tín hiệu số là loại bỏ hoàn toàn các via. Vì vậy, có vẻ như chúng ta có hai cực đoan: các via rất gần nhau và gần với dấu vết, hoặc không có via nào cả! Trong trường hợp sau, khoảng cách giữa dấu vết và mặt đất sẽ thiết lập tần số cắt TEM giới hạn băng thông của đường truyền.

Ngay từ cái nhìn đầu tiên, việc điều chỉnh các thông số VL và SGW có vẻ không dễ hiểu, cho đến khi bạn suy nghĩ về việc làm thế nào việc mở rộng hàng rào via trên lớp đồng ảnh hưởng đến các tần số cộng hưởng cho phép. Từ dữ liệu tham số S, rõ ràng là việc mở rộng lớp đồng ra (SGW → vô cực) và không sử dụng via nối đất sẽ làm giảm cơ bản tất cả các tần số cộng hưởng cho đến khi bạn xem xét theo hướng truyền sóng trục z. Trong trường hợp đó, tần số cộng hưởng thấp nhất sẽ có bước sóng là 2H/(√Dk), nơi H là độ dày điện mô giữa dấu vết và mặt phẳng nối đất. Đối với một lớp nền 10 mil với Dk = 3, điều này đặt tần số cộng hưởng đầu tiên ở 346 GHz!

Lưu ý rằng chiều dài dây và SGW sẽ ảnh hưởng đến các tần số cộng hưởng vì chúng bao quanh một khoang cộng hưởng xung quanh dây, nhưng trong các tình huống thực tế, những này có thể rất lớn và có thể được bỏ qua. Như một cách tiếp cận đầu tiên với những thiết kế này, hãy tập trung vào việc đặt VL và VP ở các giá trị nhỏ hơn để đảm bảo băng thông được tối đa hóa.

Cách Đạt Được Cấu Trúc Nhỏ

Tóm lại, một GCPW có thể hỗ trợ sự truyền dẫn tín hiệu số miễn là các tham số S không tạo ra quá nhiều méo tín hiệu, mất mát hoặc suy giảm. Về nguyên tắc thiết kế cho GCPW hỗ trợ tín hiệu số, chúng ta cần tối đa hóa băng thông không cộng hưởng với các hướng dẫn sau:

1. Cố gắng làm cho VP càng nhỏ càng tốt. Điều này khó khăn vì bạn cần phải giảm kích thước mũi khoan (~6 mils), vì vậy bạn có thể bị giới hạn ở khoảng cách trung tâm đến trung tâm VP > 10-15 mil.
2. Cố gắng làm cho VL càng nhỏ càng tốt. Điều này cũng khó khăn vì bạn cần phải để lại khoảng trống vòng đồng như bạn sẽ làm trong một via thông thường, vì vậy bạn có thể bị giới hạn ở VL > 10-15 mils.

Nếu (1) và (2) có thể được thực hiện, bạn có thể mong đợi băng thông đạt đến hàng chục GHz. Điều này được chứng minh bởi kết quả trong bài báo trên. Tuy nhiên, bạn vẫn nên kiểm tra thiết kế kết nối của riêng mình.

Lựa chọn khác là không đặt via nào trong lớp đồng xung quanh và chỉ sử dụng cấu trúc (a) hoặc (b). Nếu chúng ta xem xét sự truyền sóng dưới ảnh hưởng của các cộng hưởng trong cấu trúc đồng mặt phẳng xung quanh, chúng ta thấy rằng cấu trúc (a) không có cộng hưởng cho đến khoảng 1 THz (giả sử khoảng cách từ trace đến lớp đồng = 5 mils), do đó nó có băng thông rộng nhất không cộng hưởng. Tuy nhiên, (a) có hiệu quả chắn thấp nhất. Đối với cấu trúc (b), nó không có cộng hưởng cho đến khi giả sử SGW = vô cực, do đó nó cũng có băng thông đạt hàng trăm GHz.

Khi bạn cần thiết kế các đường truyền với hình dạng và trở kháng tiêu chuẩn, bạn có thể sử dụng máy tính trở kháng tích hợp trong Quản lý Lớp Xếp Chồng trong Altium Designer®. Tất cả người dùng và các thành viên trong nhóm của họ có thể hợp tác hiệu quả trong việc thiết kế điện tử tiên tiến thông qua nền tảng Altium 365™. Mọi thứ bạn cần để thiết kế và sản xuất điện tử tiên tiến đều có thể tìm thấy trong một gói phần mềm.

Chúng ta mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.