Tận dụng Định tuyến sóng mm với Đường truyền Chọn lọc Chế độ

Các PCB tốc độ cao đang đẩy tốc độ dữ liệu lên tận bầu trời, đặt ra các yêu cầu thiết kế chặt chẽ đối với các kết nối để đảm bảo tính toàn vẹn của tín hiệu và giảm thiểu tổn thất. Trong một bài viết trước, tôi đã thảo luận về việc định tuyến sóng dẫn tích hợp vào vật liệu nền cho các PCB RF như một lựa chọn cho việc định tuyến tần số cao. Loại đường truyền này cung cấp sự cô lập xuất sắc và hữu ích cho các chuyển đổi đơn giản sang ăng-ten, nhưng đó không phải là lựa chọn duy nhất cho việc định tuyến các thiết kế tần số cao.

Một đường truyền chọn lọc chế độ là một biến thể của cấu hình sóng dẫn đồng mặt phẳng để định tuyến tín hiệu giữa các thành phần ở tần số rất cao. Mục tiêu khi sử dụng đường truyền chọn lọc chế độ hoặc hình dạng hình học khác là cung cấp định tuyến giảm phân tán và giảm tổn thất ở các băng thông cụ thể với sự truyền sóng đơn chế độ. Trong bài viết này, tôi sẽ trình bày biến thể đơn giản này trên sóng dẫn đồng mặt phẳng và cách bạn có thể sử dụng đường truyền chọn lọc chế độ để cung cấp định tuyến cô lập cao với lựa chọn chế độ cho các ứng dụng RF.

Các Tốc Độ Cao Kết Nối Cùng Thiết Kế RF

Dù bạn là một nhà thiết kế kỹ thuật số hay một nhà thiết kế RF, việc đẩy các kênh kỹ thuật số tốc độ cao lên các tần số cao hơn đang buộc mọi người phải áp dụng các khái niệm RF trong quá trình thiết kế. John Coonrod, người mà tôi coi là một trong những diễn giả yêu thích về chủ đề quan trọng này, đã nói một cách rất trôi chảy rằng các khái niệm từ thiết kế RF sẽ trở nên quan trọng đối với tính toàn vẹn của tín hiệu số khi chúng ta ngày càng tiến gần đến thời gian tăng trưởng 1 ps trong các ứng dụng thực tế. Nhưng chính xác thì điều gì đang khiến chúng ta đạt đến giới hạn của các hình dạng đường dẫn tiêu chuẩn, và chúng ta có thể làm gì về điều này?

Hãy nhớ rằng, đường dẫn PCB tiêu chuẩn là một đường truyền TEM, nghĩa là sóng lan truyền dọc theo đường dẫn là gần như một sóng phẳng. Điều này vẫn đúng ở các tần số thấp cho đến khi bạn bắt đầu đạt đến băng thông GHz giữa (cao hơn nhiều so với tần số WiFi!). Khi bạn đạt đến các tần số đủ cao, bạn sẽ bắt đầu nhận thấy hành vi trong trường điện từ phát sinh hoàn toàn do sự lan truyền sóng trong cấu trúc. Đây là nơi mà một hình dạng đường truyền khác có thể hữu ích để ngăn chặn các chế độ bậc cao hơn (không phải TEM) và đảm bảo sự lan truyền đến bộ thu trong băng thông mong muốn.

Định Tuyến Với Các Phương Án Thay Thế cho Đường Truyền TEM

Vì những lý do tôi đã liệt kê ở trên, một số hình dạng dẫn sóng có thể lý tưởng hơn ở các tần số cao và cho các ứng dụng tốc độ dữ liệu cao vì chúng có thể được thiết kế để cho phép định tuyến chế độ đơn, hoặc nói cách khác, chúng ngăn chặn sự kích thích của các chế độ không phải TEM trong dẫn sóng PCB. Một số hình dạng định tuyến thay thế này là:

• Dẫn sóng tích hợp vào substrate. Hãy xem bài viết này để tìm hiểu thêm về các cấu trúc này. Tôi đã sử dụng chúng với một khe trên bề mặt để kết nối với một flange dẫn sóng vi sóng thông thường. 
• Dẫn sóng stripline đồng trục. Kiểu dẫn sóng này có một stripline được định tuyến bên trong một dẫn sóng tích hợp vào substrate, bao gồm tổng cộng 3 lớp. Bức tường via trong dẫn sóng này cung cấp sự cách ly và cho phép lựa chọn chế độ đa dạng. 
• Đường truyền chọn lọc chế độ. Đây là một biến thể của định tuyến dẫn sóng đồng mặt phẳng và cung cấp nhiều ưu điểm tương tự.

Nếu bạn tìm hiểu trong văn liệu nghiên cứu, những phong cách định tuyến thay thế này đã tồn tại từ lâu và đã chứng minh được khả năng định tuyến lên đến hàng trăm GHz. Các cấu trúc dẫn sóng này đơn giản để sản xuất với các kỹ thuật chế tạo tiêu chuẩn, nhưng chúng cũng có giới hạn khi chúng ta đạt đến các tần số cực cao. Trong số đó, một đường truyền chọn lọc chế độ (MSTL) có thể dễ dàng sản xuất với hình học dẫn sóng đồng mặt đất (GCPW) như được hiển thị dưới đây.

Hành vi của MSTL ở Tần số Cao (Chế độ TE)

Các chế độ cụ thể được kích thích sẽ phụ thuộc vào một số yếu tố, nhưng chủ yếu là phụ thuộc vào hình học kết nối. Cụ thể, khi tần số tín hiệu tăng lên, các chế độ ngang trong các dấu vết microstrip hoặc stripline thông thường sẽ được kích thích, điều này không mong muốn cho cả định tuyến số và RF. Đây là lý do tại sao chúng ta đang gặp phải giới hạn về tính toàn vẹn tín hiệu của các đường truyền thông thường, đặc biệt là vì chúng ta bị giới hạn bởi quy trình sản xuất PCB thông thường. Đối với các nhà thiết kế cần định tuyến ở tần số GHz cao, bạn có thể kỹ thuật cấu trúc GPCW để thể hiện cấu trúc MSTL nếu bạn đang thiết kế một hệ thống RF, hoặc bạn có thể kỹ thuật nó để có băng thông tối đa cho một tín hiệu số nếu bạn đang làm việc với một hệ thống số tốc độ cao.

Để hiểu vì sao điều này xảy ra, hãy xem hình dưới đây. Tại đây, chúng ta có một số tham số mà chúng ta có thể sử dụng để kiểm soát tần số của các chế độ trong cấu trúc này. Ở tần số thấp, cấu trúc sẽ hoạt động như một hướng dẫn sóng TEM đơn giản vì sóng truyền đi dưới tần số cộng hưởng. Ở một tần số cao hơn, các chế độ trong cấu trúc được kích thích, dẫn đến các đỉnh và thung lũng trong phổ tham số S. Mỗi chế độ bậc cao hơn trong cấu trúc có một tần số cắt, và đơn giản là kích thích cấu trúc ở trên một tần số cắt sẽ khiến trường điện từ truyền qua cấu trúc ở một chế độ không phải TEM. Khả năng kích thích chế độ bậc cao hơn này là một trong những giới hạn cơ bản đối với đường truyền TEM.

Nếu bạn xem tài liệu tham khảo ở trên và bài viết này về tín hiệu số trong hướng dẫn sóng đồng mặt phẳng, bạn sẽ tìm thấy dữ liệu tham số S tương ứng giúp giải thích các đỉnh mất công suất được hiển thị ở trên.

Lý do tất cả điều này xảy ra là do sự lan truyền sóng qua cấu trúc, có thể kích thích hình thành các mode trên một kết nối tiêu chuẩn. Khi tần số mang của sóng đủ cao, nó có thể kích thích một số mode trong cấu trúc đường truyền trên PCB. Điều này sẽ tạo ra các đỉnh và thung lũng trong phổ tổn hao chèn và tổn hao trả về. Nếu bạn có một tín hiệu số, những đỉnh tổn hao công suất này cho bạn biết rằng tín hiệu có thể bị méo. Đối với tín hiệu tương tự, nó giới hạn tần số của tín hiệu vào các phạm vi cụ thể nơi tổn hao và méo quá mức sẽ không xảy ra.

Điều này Có Phải Chỉ Là Một Dẫn Sóng Coplanar Có Mát Không?

Đúng vậy! Nhưng điều làm cho kiểu dẫn sóng này quan trọng là chiều rộng so với bước sóng của tín hiệu mang. Khoảng cách giữa các via là cơ chế quan trọng nhất bạn sẽ sử dụng để kiểm soát băng thông hữu ích. Sự thay đổi đơn giản về chiều rộng giữa các via không phải là sự khác biệt duy nhất giữa một dẫn sóng coplanar có mát và đường truyền chọn mode, nhưng đó là điểm chính được sử dụng để dự đoán sự kích thích của các mode và sự sụp đổ của đường truyền TEM tiêu chuẩn.

Chỉ để so sánh điều gì xảy ra trong hành vi GCPW và MSTL, hãy xem đồ họa sau. Đồ họa này cho thấy điều gì xảy ra khi tần số của tín hiệu trở nên rất cao và gây ra sự kích thích của các chế độ không TEM. Chế độ TEM không tạo ra sự kích thích của một trường từ dọc (Hz = 0 ở hàng trên). Ở tần số cao hơn, chúng ta giờ đây có sự kích thích của một chế độ TE, sẽ có một thành phần trường dọc.

Trong một microstrip hoặc stripline điển hình, bạn cuối cùng sẽ kích thích các chế độ dẫn sóng tấm song song. Thật không may, trong những hình học này, không có cách nào để ngăn chặn các chế độ này ngoại trừ việc làm cho lớp laminate mỏng hơn, điều này cuối cùng sẽ đạt đến giới hạn của nó và không áp dụng được trong tất cả các thiết kế.

Như đã được chỉ ra ở trên, dẫn sóng có các tham số hình học có thể được điều chỉnh để cho phép hoặc ngăn chặn các chế độ khác nhau bằng cách chọn hình học phù hợp. Cấu trúc của một đường truyền chọn lọc chế độ mang lại cho nó các đặc tính sau:

• Cô lập cao. Đây là lợi ích chính của việc định tuyến trong bất kỳ dẫn sóng nào, bao gồm cả đường truyền chọn lọc chế độ. Hàng rào via nối đất dọc theo cạnh cung cấp sự che chắn khỏi các đường dẫn khác.
• Ngăn chặn chế độ.Các chế độ trong một đường truyền chọn lọc chế độ là sự kết hợp giữa chế độ dẫn sóng tích hợp vật liệu nền và chế độ quasi-TEM cho dẫn trung tâm. Khoảng cách hàng rào via dọc theo mép có thể được sử dụng để ngăn chặn các chế độ dẫn sóng vật liệu nền, đảm bảo sự truyền dẫn đơn chế độ.
• Băng thông rộng, tán sắc thấp. Bằng cách ngăn chặn sóng bề mặt, bạn đã đảm bảo tán sắc phẳng đến một băng thông cao hơn so với microstrip hoặc stripline. Bằng cách giữ tán sắc thấp trên một băng thông rộng hơn, có ít méo và lệch khỏi trở kháng mục tiêu, điều này cũng ngăn chặn sự can thiệp giữa các ký hiệu được nhìn thấy tại bộ thu.

Định tuyến một Đường truyền Chọn lọc Chế độ trong PCB của Bạn

Định tuyến một hình học đồng mặt phẳng như một đường truyền chọn lọc chế độ đòi hỏi một bộ công cụ CAD phù hợp. Dưới đây là một quy trình đơn giản để định tuyến các đường này:

1. Tính toán trở kháng sóng cho chế độ mong muốn bạn sẽ làm việc với. Để làm điều này, chỉ cần tính toán hằng số truyền dẫn cần thiết và sử dụng phương trình trở kháng sóng tiêu chuẩn từ sách giáo khoa thiết kế RF.
2. Thiết lập khoảng cách cần thiết giữa các mạch đường truyền chọn lọc chế độ của bạn và bất kỳ đa giác nối đất nào ở gần.
3. Điền vào khu vực xung quanh các mạch đường truyền của bạn với đồng nối đất.
4. Đặt các via khâu trên đa giác được chọn để đạt được các mục tiêu VL, VP và SGW của bạn.

Cấu trúc ví dụ dưới đây được thiết kế để cung cấp trở kháng 50 Ohm đến 127.2 GHz. Nó được định tuyến trên RO3003 30 mil để cung cấp đặc tính ít tổn hao. Nó vẫn cần một số kiểm tra DFM để đảm bảo rằng nó có thể được sản xuất, nhưng khoảng cách, kích thước via và khoảng cách tường lỗ đến tường lỗ ban đầu là phù hợp cho cấu trúc để cung cấp sự truyền dẫn sóng ít tổn hao, ít méo.

Hình học đường truyền này đã được chứng minh là cho phép truyền dữ liệu hàng terabit mỗi giây và nó có thể sớm trở thành một phần quan trọng của cảnh quan thiết kế tốc độ cao. Trong ví dụ trên về một đường RF, nếu chúng ta muốn kích thích một chế độ cụ thể trong cấu trúc, chúng ta có thể thay đổi VL và VP sao cho cắt chế độ thứ nhất ở một tần số thấp hơn. Để tìm hiểu thêm về lý thuyết của các đường truyền chọn lọc chế độ, đọc bài báo này từ IEEE (đã trích dẫn ở trên).

Các tính năng định tuyến tương tác và tạo lớp xếp chồng trong Altium Designer^® mang lại cho bạn tự do thiết kế bất kỳ loại kết nối nào bạn có thể tưởng tượng. Layer Stack Manager cung cấp các tính toán trở kháng chính xác cao cho các hình dạng dấu vết tiêu chuẩn, hoặc bạn có thể sử dụng các công cụ CAD trong PCB Editor để thiết kế các hình dạng không tiêu chuẩn của riêng bạn như các đường truyền chọn lọc chế độ. Khi bạn sẵn sàng phát hành các tệp và bản vẽ sản xuất bo mạch của mình cho nhà sản xuất, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng tôi chỉ mới khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Hãy xem các tùy chọn cấp phép linh hoạt của chúng tôi cho Altium Designer + Altium 365 ngày hôm nay.