Що не так з моїм заземленим копланарним хвилеводом на 50 Ом?

Я працював над 4-шаровим дизайном, побудованим навколо низько енергетичного SoC Bluetooth EFR32BG13. Намагаючись виміряти опір антени для побудови узгодженої схеми, я виявив, що моя короткозаземлена лінія передачі копланарного хвилеводу (GCPW) діяла більше як антена, ніж лінія електропередачі.

Щоб звузити причину проблеми, я побудував просту тестову дошку 4-шарової лінії передачі, яка зображена тут:

Дошка площею 100 мм. Ці дошки були виготовлені компанією ALLPCB, яка визначає 35 мкм міді на всіх шарах і 0,175 мм діелектрик (діелектрична константа 4,29) між першими двома шарами. Використовуючи AppCAD, я виявив, що конструкція із шириною сліду 0,35 мм та зазором 0,25 мм дає імпеданс 48,5 Ом. Верхній шар дошки зображений червоним кольором вгорі. Інші три шари - це ґрунтові площини, які виглядають так:

Я отримав плати сьогодні і почав тестувати S21 для другої секції знизу - прямий шматок GCPW з роз'ємами SMA на будь-якому кінці. Я використав HP 8753C / HP 85047A з короткою довжиною коаксіального з'єднання, з'єднаним з портами 1 і 2, і тестовою дошкою, з'єднаною між цими довжинами коаксіації. На мій подив, ось що я побачив:

На 2,45 ГГц моя лінія електропередачі має відгук -10 дБ. Якщо я заміню плату на "роз'ємний" роз'єм, я бачу саме те, що я очікував:

Я трохи втрачаю, тому що думав, що перший тест буде затоном, і я розпочну знайти проблеми з більш складними тестами над ним. У мене є ВНА і сильне бажання дізнатися, що я тут роблю неправильно. Чи можете ви побачити якісь проблеми з моїм методом тестування або з самим дизайном GCPW? Будь-яка допомога взагалі буде дуже вдячна!

Редагувати: Як запропонував Neil_UK, я видалив термали на одній дошці, вискоблюючи паяльну маску, а потім усуваючи зазор припоєм. Вимірювання S11 і S21 з цією конфігурацією дає такий результат:

Якщо порівнювати графік S21 з попереднім результатом, то, здається, немає помітної різниці.

Редагувати 2: Як запропонував mkeith, я розділив одну з "смужок" моєї тестової дошки крім решти, використовуючи старий метод "оцінка та перерва". Дошка, яку я вирішив відірвати, - це та сама дошка, на яку я зняв термічні батареї, тому цей результат є подальшою модифікацією попереднього сюжету. Ось:

На ділянці S11 спостерігається поглиблення жолобів, але суттєве поліпшення функціональності плати в якості лінії електропередачі.

Правка 3: Ось фото дошки в останньому варіанті здійснення:

Редагувати 4: Закрити знімки з обох сторін одного роз'єму SMA:

Роз'єм SMA - Molex 0732511150. Земля друкованої плати дотримується рекомендацій, наведених у таблиці даних:

http://www.molex.com/pdm_docs/sd/732511150_sd.pdf

Правка 5: Ось переріз дошки біля одного краю:

Зелені лінії масштабуються відповідно до специфікацій виробника, які скопіюються тут:

Редагування 6: Ось фото дошки зверху вниз з червоними лініями масштабу, що показують очікувані розміри:

Редагування 7: Щоб перевірити дію великої центральної землі SMA, я вирізав центральну площадку на одній дошці, щоб вона була такої ж ширини, як і решта сліду. Тоді я використовував мідну стрічку для розширення підстави з обох боків:

Потім я перевірив S11 і S21:

Це, здається, значно покращило S11, що призводить мене до думки, що земля великого центру фактично створювала ємність на будь-якому кінці лінії, що призводило до резонансу.

Редагування 8: Шукаючи поради щодо переходу від SMA до GCPW, я натрапив на цей білий документ:

http://www.mouser.com/pdfdocs/Emerson_WhitePaperHiFreqSMAEndLaunch.pdf

Хоча в роботі спеціально йдеться про використання високочастотного субстрату, я думаю, що значна частина цього ще застосовується тут. Для мене виділяються два основні моменти:

1. GCPW повинен продовжуватись до краю дошки.
2. Високочастотні кінцеві роз'єми SMA використовують центральний штифт, який коротший і вужчий, щоб мінімізувати його вплив на GCPW. Вони можуть бути більш підходящими для подібного застосування з тонким центральним провідником на лінії електропередачі.

Не слід використовувати "термічні" під час заземлення СМА. Ці наземні вкладки повинні виходити прямо на велику незламну площину землі. Паяння навіть не буде складніше: основну частину SMA все одно потрібно нагріти, тому немає необхідності в цих трьох друкованих індукторах в грунті кожної SMA.

Якщо ви дивитесь на пульсацію на ділянці S21, повторювана пульсація відповідає тому, що погані точки відповідності розташовані один від одного за шириною дошки. Це може бути не вся історія, але розібрайтесь у цій очевидній проблемі, перш ніж шукати більш тонкі деталі.

Вам не потрібно переробляти дошки, ви можете зісколити будь-який опір і з’єднати надрізи припоєм як швидке виправлення. Відредагуйте свою публікацію та додайте нові виміри, коли ви це зробите. BTW, S11, як правило, більш чутливий показник, який можна зробити на «очікуваному хорошому» через лінії, ніж S21, хоча я згоден, цей S21 досить поганий.

Що таке матеріал дошки (не незначна деталь)?

(редагувати)

Тож це не термали, я думаю, ми лише на 3 ГГц.

Чи правильно розрахований рядок? З цими розмірами цей калькулятор дає 48,93, але, очевидно, використовується мідь нульової товщини. Це дає 47,42 з 35 мідним міддю і погоджується з іншим за нульової товщини, тому конструкція виглядає правдоподібно. Тих відмінностей від того, що ви припустили, недостатньо для пояснення вимірювань.

Чи правильно виготовлена ​​дошка?

Розміри ширини та зазору легко виміряти за допомогою мікроскопа. Товщина підкладки буде складніше. Діелектрична константа підкладки ще складніше. FR4 може змінюватись залежно від товщини та співвідношення скло / смола. Ядро шару 0,175 мм чи попереднє попереднє замовлення? Слідкуйте за тим, що попередня підготовка може збільшитися набагато більше, ніж основна при монтажі, оскільки умови складання не так добре контролюються, як для виготовлення серцевини.$\varepsilon_r$

Вимірювання ємності на шматочку дошки, відрізаному від вашої тестової дошки, від війок зшивання ґрунту, дасть вам комбіновану константу товщини та діелектрика. Вимірювання електричної довжини на ваших тестових зразках дасть вам, по суті, діелектричну постійну, з невеликим внеском з геометрії.

Ви зможете моделювати довжину лінії електропередачі та регулювати довжину, імпеданс та втрати, поки змодельовані S11 та S21 не відповідають вашим вимірам, ви навіть можете попросити свого оптимізатора зробити це автоматично для вас. Це правдоподібна модель для ваших результатів?

Я раптом помітив, що ваші вкладки сигналу на роз'ємах дуже широкі, що створить коротку довжину лінії дуже низького імпедансу на кожному роз'ємі, хоча на цій довжині моделювання як зібраного С могло б бути адекватним 3 ГГц. Додайте до своєї моделі два збірних С та спробуйте підлаштувати ці симуляції до результатів. Опублікуйте розширення області інтерфейсу з'єднувача, щоб ми могли побачити, що там відбувається належним чином.

(/ редагувати)

Я думаю, що ви трактували таблицю помилково, а точніше, ви не врахували той факт, що у вас є також 4 шари та ґрунт на верхньому шарі, рекомендації щодо дизайну цього не вимагають.

Це говорить "мідь на нижній (ґрунтовій) стороні"

Ось як я інтерпретую таблицю даних;

Ширина центральної колодки розроблена так, щоб вона була добре узгоджена / мала близько 50ом імпедансу, коли у вас є дошка ДВОЙШОГО ШЛЯХУ (не 4 шари) товщиною 1,57 мм із земною площиною в нижній частині ТОЛЬКО (~ 1,6 мм нижче доріжки), тобто Чому також, якщо ви дивитесь на трек, що відходить від терміналу, він ще ширший, тому що, якщо дошка 1,6 мм із землею внизу вам потрібна дуже широка доріжка, щоб отримати опір 50ом.

Якщо ви не виймали мідь на середніх двох шарах міді нижче центральної колодки, то ви перемістили площину заземлення набагато ближче, ніж вона повинна бути від проектних специфікацій. а також тому, що у вас є земля на верхній площині, ви також змінили імпеданс від цього. якщо відстань між центральними та заземлюючими колодками, зазначене в аркуші, не повинно бути заповнене площиною заземлення.