Khôi phục Hao hụt Dẫn điện Bằng Cách Làm Sạch Lớp Mặt đất PCB của Bạn

Việc định tuyến với trở kháng kiểm soát ở tần số cao đã đủ khó khăn, và điều quan trọng là phải đảm bảo bạn vẫn nằm trong ngân sách tổn thất của mình trên các tuyến đường dài hoặc trong môi trường dễ mất mát. Khi bạn phải định tuyến một đường dẫn dài hoặc một cặp vi sai dài đến một kết nối hoặc thành phần khác, bạn có thể làm gì nếu bạn đang tiếp cận giới hạn ngân sách tổn thất của mình?

Hầu hết các nhà thiết kế sẽ nói với bạn chỉ cần sử dụng vật liệu thay thế ít tổn thất/RF có góc tổn thất thấp hơn bất cứ khi nào tổn thất quá mức trên các kết nối tốc độ cao/tần số cao. Bạn có thể làm gì khác nếu tổn thất là một vấn đề trên những kết nối dài này?

Có một mẹo mà bạn có thể sử dụng với các đường microstrip được triển khai bởi các nhà thiết kế thiết bị/handset 5G. Đây là một kỹ thuật được mô tả với tôi như là định tuyến bỏ qua lớp tham chiếu, hoặc chỉ đơn giản là định tuyến bỏ qua. Tên gọi này ám chỉ việc bỏ qua các lớp tham chiếu ở phía cuối tải của một kết nối, do đó thay đổi phân bố trường xung quanh một đường dẫn microstrip và giảm tổn thất tổng thể. Trong bài viết này, chúng ta sẽ xem xét phương pháp định tuyến này và giải thích cách nó có thể giúp khôi phục một phần ngân sách tổn thất trong một kết nối dễ mất mát.

Skip Routing là gì?

Skip routing bao gồm việc loại bỏ một phần lớp đất của PCB trong lớp tham chiếu cho đường truyền microstrip tại đầu tải của một tuyến đường. Khi tín hiệu di chuyển vào khu vực có khoảng trống đất, tín hiệu sẽ trải qua ít tổn thất hơn. Điều này xảy ra bởi vì hành động dịch chuyển lớp đất của PCB ra xa khỏi dấu vết sẽ thay đổi phân bố trường xung quanh đường truyền microstrip. Theo cách này, trở kháng của đường truyền giờ đây được tham chiếu đến lớp gần nhất tiếp theo trong bộ xếp lớp miễn là hai khu vực đất được đặt ở cùng một tiềm năng. Hình dưới đây cho thấy cách thức hoạt động này.

Khi loại bỏ một số đất ở khu vực dưới thành phần đích, bạn giờ đây cần phải điều chỉnh chiều rộng của dấu vết microstrip trên lớp bề mặt sao cho bạn có thể duy trì trở kháng nhất quán. Khi dấu vết đi vào khu vực có lớp đất được loại bỏ, chiều rộng của dấu vết cần được mở rộng trong khu vực đã loại bỏ để đặt trở kháng ở cả hai khu vực bằng nhau. Điều này cho phép bạn giảm tổn thất chèn tổng thể trong khu vực đã loại bỏ mà không tạo ra tổn thất trở lại mới tại giao diện giữa các khu vực này. Tôi đã bao gồm một phần thu hẹp nhỏ trong khu vực chuyển tiếp, lý tưởng nhất là nên ngắn về mặt điện (khoảng 10% bước sóng hoạt động cho tín hiệu RF).

Sử dụng Cắt Lỗ Mặt Đất để Giảm Thiểu Tổn Thất Dẫn

Tổn thất mà tín hiệu trải qua sẽ phụ thuộc vào mật độ của các đường sức xung quanh dây microstrip, nhưng không nhất thiết là do tổn thất góc thay đổi. Một khi lớp đất gần nhất phía dưới microstrip được loại bỏ và dấu vết được tham chiếu đến lớp đất tiếp theo, chiều rộng của dấu vết có thể được tăng lên một cách thoải mái vì điều này sẽ giúp dấu vết đạt được mục tiêu trở kháng của nó.

Làm thế nào chúng ta có thể giảm bớt một số tổn thất trong dấu vết này mà không cần thay đổi tổn thất góc? Câu trả lời nằm ở hiệu ứng bề mặt trong dẫn. Bằng cách mở rộng dẫn để đảm bảo kiểm soát trở kháng trong khu vực lớp đất được làm sạch, tổn thất do hiệu ứng bề mặt sẽ được giảm bớt. Chúng ta có thể thấy điều này nếu chúng ta xem xét một công thức gần đúng cho điện trở hiệu ứng bề mặt của một dẫn có tiết diện hình chữ nhật:

Vì đây chỉ là một giá trị điện trở, chúng ta nên có thể thấy rằng tăng chiều rộng dấu vết (W) sẽ tăng diện tích tiết diện, và do đó điện trở sẽ giảm. Điều này giúp phục hồi một lượng nhỏ tổn thất điện trở và phản ứng trong khu vực có chiều rộng dấu vết lớn hơn.

Chuyển sang Coplanar Thay vì Sử dụng Cắt Lỗ Mặt Đất

Cho đến nay, tôi chỉ mới thảo luận về những gì xảy ra khi chúng ta có các đường microstrip thông thường. Điều gì sẽ xảy ra nếu bạn đã thiết kế với một đường dẫn sóng coplanar có tiếp địa? Sự khác biệt là tỷ lệ chiều rộng so với độ dày điện môi sẽ nhỏ hơn đối với một đường dẫn sóng coplanar khi khoảng cách giữa dấu vết và mặt tiếp địa thấp hơn. Tuy nhiên, bạn có một cần gạt khác mà bạn có thể kéo: khoảng cách giữa dấu vết và đường dẫn tiếp địa gần đó.

Ở đây, chúng ta có một phiên bản khác của việc bỏ qua định tuyến: nơi chúng ta thay đổi khoảng cách ra khỏi đường dẫn sóng coplanar và một microstrip. Nếu bạn nhớ một bài viết trước đây về khoảng cách giữa microstrip và mặt tiếp địa, bạn sẽ nhận thấy rằng việc đưa đường dẫn tiếp địa đến gần một microstrip làm giảm trở kháng của nó, đó là lý do tại sao chúng ta có thể sử dụng một dấu vết mỏng hơn trong một đường dẫn sóng coplanar so với một microstrip cho cùng một độ dày của lớp nền.

Ví dụ dưới đây cho thấy một cách khác chúng ta có thể phục hồi một số tổn thất bằng cách chuyển từ một dẫn sóng đồng mặt phẳng hẹp sang một microstrip rộng. Nếu bạn nhớ bài viết trước của tôi về microstrip so với tổn thất dẫn sóng đồng mặt phẳng, bạn sẽ nhận thấy rằng dẫn sóng đồng mặt phẳng sẽ có tổn thất dẫn điện PCB lớn hơn cho một lớp phủ gồ ghề tiêu biểu như ENIG. Điều này (một phần) là do sự thay đổi tổn thất của dòng microstrip bởi lớp phủ gồ ghề, làm tăng độ lớn của hiệu ứng da. Bằng cách chuyển từ dẫn sóng đồng mặt phẳng sang microstrip với một phần hẹp dần, microstrip sẽ có tổn thất thấp hơn so với phần đồng mặt phẳng.

Trong ví dụ này, chúng tôi không loại bỏ bất kỳ phần đất nào ở lớp tiếp theo. Thay vào đó, chúng tôi chỉ loại bỏ đất ở cùng một lớp và sau đó mở rộng dấu vết để duy trì trở kháng, Một số tổn thất bổ sung sẽ được giảm bằng cách sử dụng lớp phủ bạc ngâm thay vì ENIG, cũng như loại bỏ lớp mặt nạ hàn khỏi những dòng này vì vật liệu mặt nạ hàn LPI có hệ số tổn thất cao.

Về Dk Hiệu quả thì sao?

Khi khoảng cách từ đường dẫn đến lớp mặt đất được tăng lên, phân bố trường sẽ thay đổi và do đó giá trị Dk hiệu quả mà tín hiệu di chuyển trên đường dẫn nhìn thấy cũng sẽ thay đổi. Người ta có thể đúng khi hỏi: điều gì xảy ra với giá trị Dk hiệu quả, và liệu nó có thay đổi tổng lượng tổn thất dọc theo kết nối không?

Trong khi việc thay đổi chiều rộng của đường dẫn thay đổi phân bố trường xung quanh đường dẫn là đúng, nó chỉ thay đổi nhẹ giá trị hằng số điện môi hiệu quả. Điều này là do tỷ lệ chiều rộng so với độ dày điện môi cần thiết cho trở kháng kiểm soát chỉ hơi phi tuyến đối với microstrip, vì vậy việc tăng gấp đôi độ dày điện môi đòi hỏi phải tăng gần như gấp đôi chiều rộng của đường dẫn để đạt được trở kháng tương tự. Điều này đưa bạn trở lại với cùng một giá trị Dk hiệu quả cho các microstrip của bạn. Điều này nên giải thích tại sao góc tổn thất không cần phải thay đổi để lấy lại một số tổn thất trong kết nối của bạn.

Khi bạn cần thiết kế và định tuyến các kết nối tốc độ cao và tần số cao trong khi tính toán cho sự mất mát của dẫn trên PCB, hãy sử dụng bộ tính năng định tuyến PCB tốt nhất trong Altium Designer®. Bộ máy quy tắc thiết kế tích hợp và Layer Stack Manager cung cấp cho bạn mọi thứ bạn cần để tính toán chiều rộng dấu vết cần thiết để đạt được trở kháng cụ thể và tính toán cho độ nhám của đồng trong hệ thống vật liệu PCB của bạn. Khi bạn đã hoàn thành thiết kế và muốn gửi các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365™ giúp việc hợp tác và chia sẻ các dự án của bạn trở nên dễ dàng.

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.