Định tuyến Dẫn sóng Tích hợp Substrate cho PCB sóng mm

Ứng dụng của tín hiệu mmWave trước đây chỉ giới hạn trong lĩnh vực quốc phòng, nhưng giờ đây hệ thống mmWave đang trở nên phổ biến hơn. Bạn có thể cảm ơn radar xe hơi, radar UAV, việc triển khai 5G sắp tới, và nghiên cứu hiện tại về 6G đã đưa công nghệ mmWave vào dòng chính. Việc định tuyến với tín hiệu mmWave đã buộc các nhà thiết kế phải suy nghĩ lại về thực hành định tuyến và thiết kế kết nối liên lạc của họ. Điều này đã khích lệ nhiều nhóm nghiên cứu và công ty sáng tạo thiết kế các cấu trúc kết nối mới cung cấp định tuyến ít tổn thất trên các loại vật liệu PCB có sẵn trên thị trường.

Đường dẫn sóng đồng mặt phẳng có tiếp địa (và các biến thể của nó) có lẽ là cấu trúc kết nối được biết đến nhiều nhất trong số các kỹ sư RF làm việc với tần số vi sóng. Một cấu trúc định tuyến, được gọi là đường dẫn sóng tích hợp trên nền, cung cấp một lựa chọn thay thế hữu ích lý tưởng cho việc kỹ thuật trường điện từ dọc theo một kết nối liên lạc. Nhờ những người như John Coonrod, công nghệ này có khả năng trở nên phổ biến hơn trong số các nhà thiết kế PCB RF vì nó mang lại nhiều ưu điểm so với các thiết kế kết nối khác. Hãy cùng xem xét cấu trúc dẫn sóng độc đáo này và những ưu điểm của nó cho việc định tuyến mmWave.

Đường dẫn sóng tích hợp trên nền là gì?

Hãy tưởng tượng một loại sóng dẫn hình chữ nhật kim loại kiểu cũ, nó hướng dẫn sóng âm thanh hoặc sóng điện từ thông qua phản xạ. Cấu trúc đơn giản này có thể được triển khai trên một PCB giữa hai dải đồng song song. Các dòng đồng của thành bên được hình thành từ via xuyên lớp mạ, tạo ra một cấu trúc kim loại được lấp đầy bằng điện môi. Loại cấu trúc này được gọi là sóng dẫn tích hợp nền.

Sóng dẫn này khá đơn giản để hình thành trên một PCB; một sơ đồ của sóng dẫn ví dụ được hiển thị bên dưới. Tại đây, kết nối hiệu quả chiếm hai lớp, và một cặp microstrip hình nón trên lớp bề mặt có thể được sử dụng để tiêm một tín hiệu vào cấu trúc này.

Cấu trúc sóng dẫn tích hợp nền

Các hệ thống này hoạt động theo cách tương tự như sóng dẫn hình chữ nhật ở chỗ chúng có một tập hợp các chế độ, được xác định bởi hình học của chúng. Toán học, tập hợp các hàm riêng mô tả phân bố không gian của trường điện từ giống như được sử dụng cho sóng dẫn hình chữ nhật điển hình; mỗi hàm riêng có một số sóng và bước sóng cụ thể, sau đó được kết hợp để hình thành và xác định phân bố không gian của trường dọc theo sóng dẫn. Số sóng xấp xỉ cho một chế độ truyền là (W và H là chiều rộng và chiều cao của cấu trúc, tương ứng):

Số sóng lan truyền (ước lượng) cho một hướng dẫn sóng điện mô tương đương.

Trong trường hợp các thuật ngữ n và m quá lớn, thì tín hiệu của bạn sẽ không thể kích thích một chế độ cụ thể. Điều này có nghĩa là tần số của tín hiệu và hình dạng của cấu trúc sẽ xác định chế độ nào được kích thích.

Nói chung, bạn có thể kích thích chế độ TE10 đơn giản bằng cách điều chỉnh kích thước hướng dẫn sóng để phù hợp với tần số tín hiệu mong muốn; tất cả các chế độ bậc cao khác sẽ suy giảm và không thể lan truyền qua cấu trúc. Số sóng cho chế độ TE10 là:

Số sóng lan truyền cho chế độ TE10. Người thiết kế có thể tự do chọn omega, a, W, và d để chọn các chế độ cụ thể.

Ở đây, yêu cầu tiêu chuẩn để cung cấp sự hạn chế trong cấu trúc hướng dẫn sóng là khoảng cách giữa các via (s) phải nhỏ hơn gấp đôi đường kính via (d), và a phải lớn hơn 5 lần đường kính via. Các điều kiện tương tự có thể được suy ra để kích thích các chế độ khác ở một tần số mong muốn. Điều này cho phép bạn thiết kế phân bố trường bạn cần cho một ăng-ten, bộ ghép, bộ khuếch đại/resonator, hoặc các thiết bị RF thụ động khác.

Lợi ích của Hướng dẫn Sóng Tích hợp Substrate

Lợi ích chính của sóng dẫn tích hợp trên nền là khả năng giảm thiểu tổn hao so với microstrip, stripline và sóng dẫn đồng mặt phẳng có tiếp địa. Nếu bạn làm việc trong băng tần Ka hoặc thấp hơn, microstrip và stripline cung cấp tổn hao tương tự như sóng dẫn đồng mặt phẳng có tiếp địa. Trên băng tần Ka và sâu vào băng V, sóng dẫn đồng mặt phẳng có tiếp địa cung cấp tổn hao thấp hơn, mặc dù tổn hao chèn vẫn đạt -6 dB và tăng 0.1 dB/GHz vượt qua 40 GHz. Hãy xem bài viết này của Jon Coonrod để có cái nhìn so sánh đẹp về tổn hao chèn của microstrip, stripline và sóng dẫn đồng mặt phẳng có tiếp địa.

Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng kết nối sóng dẫn tích hợp trên nền cung cấp tổn hao thấp hơn đến 80 GHz trên các nền vật liệu ít tổn hao có sẵn trên thị trường (ví dụ, lớp phủ Rogers, Duroid hoặc Isola). Tổn hao chèn có thể giảm xuống khoảng -6 dB trong băng V/M (xem ở đây cho một ví dụ trong mạng thử nghiệm 5G), tùy thuộc vào khoảng cách giữa các via được sử dụng trong cấu trúc. Tổn hao thấp trong những sóng dẫn này làm cho chúng trở nên lý tưởng để sử dụng trong thiết kế chuỗi tín hiệu RF, đặc biệt là trong các mạch nơi truyền tải công suất cao là quan trọng.

Hệ thống này về bản chất là mở và có thể hoạt động như một nguồn phát ra EMI vào các mạch lân cận. Việc cung cấp sự kiểm soát trường năng lượng một cách đúng đắn trong những cấu trúc này đòi hỏi việc đặt các via cách nhau một khoảng cách phù hợp dọc theo chiều dài của hướng dẫn sóng, tương tự như trường hợp đặt hàng rào via dọc theo biên giới của một khu vực ăng-ten hoặc mép của bảng mạch để ngăn chặn sự cộng hưởng của khoang.

Khả năng chọn lựa các chế độ truyền dẫn dọc theo hướng dẫn sóng làm cho cấu trúc này lý tưởng cho việc thiết kế các bộ ghép nhiều cổng RF, ăng-ten có khe ăng-ten, và các cấu trúc RF thụ động khác dựa vào sự can thiệp giữa các chế độ để truyền năng lượng trường giữa những cấu trúc này. Nếu bạn quan tâm đến việc thiết kế hướng dẫn sóng tích hợp trên nền vật liệu của riêng mình, bạn sẽ cần sử dụng một trình giải quyết trường điện từ 3D, hoặc theo dõi kết quả được trình bày bởi người khác trong văn học. Để có hướng dẫn nhanh về việc kích thước các via của bạn (đường kính và khoảng cách), xem bài viết này.

Bạn cũng sẽ cần phần mềm thiết kế PCB phù hợp nếu bạn muốn tạo một bố cục mới với các hướng dẫn sóng tích hợp vào chất nền. Môi trường thiết kế độc đáo trong Altium Designer^® cho phép bạn xây dựng các bảng mạch tiên tiến cho hệ thống RF tần số cao hoặc kỹ thuật số với một loạt các tính năng bố trí và định tuyến. Altium Designer cũng cung cấp cho bạn quyền truy cập vào một bộ công cụ mô phỏng sau bố trí hoàn chỉnh để phân tích tính toàn vẹn tín hiệu.

Giờ đây, bạn có thể tải xuống bản dùng thử miễn phí của Altium Designer và tìm hiểu thêm về các công cụ lập kế hoạch sản xuất, mô phỏng và bố trí tốt nhất trong ngành. Nói chuyện với một chuyên gia Altium ngày hôm nay để tìm hiểu thêm.