¿Sugerencias para la posible causa del desajuste de impedancia entre las revisiones de la placa?

Question

Tengo una versión de un front-end de RF de 870MHz basado en el CC1190 PA/LNA basado en un diseño existente que fue portado a otro PCB, fabricado y ensamblado para su eventual uso en un prototipo. Llamaremos a esto revisión A. Las placas para la rev A fueron fabricadas y ensambladas, y eventualmente recuperadas y probadas para su correcta funcionalidad y posibles errores, etc. Los errores de hardware de la placa se localizaron y finalmente se hizo otra revisión de la PCB, que llamaremos revisión B.

Las placas B volvieron de la fabricación y se hicieron más pruebas para localizar otros posibles problemas, etc. Un problema que sigue sin explicarse es el desajuste de impedancia medido en la entrada del front-end, en el conector SMA. La ROE / S11 medida por el VNA entre las placas de la revisión A y la revisión B es significativa, aunque no se hayan hecho modificaciones importantes en el enrutamiento, y ciertamente no se han hecho cambios en los valores del esquema / de la lista de materiales, ya que no eran el objetivo de la depuración. Esto se debe a que esta parte del circuito fue trasladada desde otro circuito que ya funcionaba, por lo que no había "necesidad de arreglar algo que no estaba roto".

Por desgracia, ahora hay algo roto en esta parte de la revisión B de la PCB que no era inicialmente el caso en la revisión A? Entre A y B, estoy viendo una diferencia de ROE de 2 y 5,9 respectivamente y una impedancia de entrada de 43-j41 para A vs 9-j12 , 12.2-j14.5 y 11.7-j12.8 para 3 tablas de B a 870MHz. Esto se midió con un VNA calibrado al plano de referencia del conector SMA de entrada, con el LNA del front-end activado como si estuviera recibiendo. Entre el conector SMA y el front-end de RF hay menos de 2cm de microstrip, incluyendo componentes pasivos 0402, etc. Esta impedancia se midió debido a la observación previa, en unas 8 placas de la revisión B, de una potencia de salida inferior a la habitual, y una menor ganancia del LNA en recepción. No he medido la ROE de las 8 placas, pero supongo que habrá desajustes de impedancia similares que causan las potencias de salida más bajas (unos 3dB menos de lo esperado). ¡Ahora, una ROE de 2 es razonable si no la mejor, pero una ROE de 5,9 es mala ! Esto se confirma por el 9-j12 que está muy lejos del objetivo de 50 para el que fue diseñado el front-end.

Como ya he mencionado, esta parte del circuito en la PCB no requirió ninguna modificación, pero por supuesto hubo algunos pequeños empujones en las vías de tierra para hacer espacio, y/o enrutamientos por debajo del plano de tierra de RF, pero en su mayor parte > 95% del enrutamiento de la parte frontal de RF no fue tocado entre las revisiones A y B, incluyendo absolutamente ningún cambio en los componentes del circuito de RF, valores o tolerancias, etc.

He considerado las siguientes razones posibles, algunas más probables que otras, y algunas más difíciles de probar o descartar:

1. Posible mala colocación de los componentes en la casa de montaje?!? He pensado en esto pero el fabricante se empeña en que no era posible y no se habría producido. ¿Alguna sugerencia al respecto? O comentarios de cosas así ocurridas por experiencia personal ? ¿ Cómo se puede evitar esto ?
2. ¿Posible daño en el front-end de RF durante el montaje? Nuevamente el fabricante insiste en que no es posible, y sería extraño que esto ocurriera en las 8 placas, pero sin embargo es una fuente potencial del problema a considerar. (NOTA: He sustituido el frontal de una placa y parece que hay una mejora, pero no puedo confirmarlo al 100% ya que el componente fue calentado para su reparación).
3. La mayoría de las modificaciones recientes en el enrutamiento podrían haber impactado bastante en las nuevas placas? Como se mencionó, sólo alrededor de < 5% de vias y o pistas de potencia habrían sido ligeramente desplazadas o en algunos casos las vias de paso del plano de tierra se convirtieron en micro-vias entre el componente y el plano de tierra de RF para permitir más espacio de enrutamiento por debajo del plano de tierra de RF. Me sorprendería mucho que esto pudiera haber cambiado la ROE de 2 a 6 de esa manera. No obstante, es algo que hay que tener en cuenta para ser justos con todo el mundo.
4. He oído la sugerencia de que un menor grosor de sustrato podría aumentar la capacitancia parásita en las almohadillas de los componentes 0402 y tal vez hacer que la coincidencia "se desajuste". Es cierto que el diseño anterior, del que procede este frontal, tenía menos capas en general y puede haber una separación del sustrato a la tierra de RF de unos 0,2 mm o, en el peor de los casos, de 0,1 mm para una placa de 1 mm de tamaño total. El nuevo apilamiento de capas de la PCB FR-4 es diferente en el sentido de que hay más capas y la PCB es ahora un estándar de 1,6mm con una separación de sustrato de 0,08mm entre el plano de RF y el de tierra. Después de algunas estimaciones rápidas para los pads del 0402, las capacitancias parásitas esperadas para el plano de tierra vienen a ser aproximadamente < 0,16pF por pad, y en los pines de entrada del LNA del front-end las parásitas vienen a ser aproximadamente < 0,3pF por pad. Sin embargo, me resulta difícil creer que pueda llegar a ser un problema a 870MHz, dado que algunas de las capacitancias tienen tolerancias de +/- 0,1pF, por lo que añadir otros 0,16pF a un 12pF o incluso a un 3,3pF no me convence... No obstante, es algo a tener en cuenta.

Así que aquí están algunas de las posibles causas consideradas que podrían ver este gran cambio en la ROE de una revisión a otra, pero estoy seguro de que pueden no ser los únicos. Cualquier otra sugerencia sería extremadamente útil y bienvenida.

¿Alguna sugerencia de por qué se puede ver tal variación en la ROE de una revisión a otra, sabiendo que el diseño original se hizo para una impedancia nominal de 50, y en varias placas iniciales (como la revisión A) se midió que estaba bastante cerca de 50, pero no en la revisión B?

A continuación se muestra una superposición de los dos trazados A y B del front-end, mostrando las pequeñas diferencias (donde las coloraciones son diferentes). Las vías del plano de tierra son los micros 1-2.

A continuación se muestra el esquema común a ambas rutas A y B.

Y lo que sigue es la disposición lado a lado de la capa superior para A y B. La capa inferior se muestra para la versión B ya que la versión A sólo tenía la tapa grande junto a la ferrita. Por lo demás, no hay componentes en la parte posterior.

Answer 1

Si esto puede interesarte, después de eliminar todas las demás causas posibles, me metí en el conector de salida de algunas placas desnudas para reproducir una diferencia similar, pero esta vez con simplemente una resistencia 0402 de 50 Ohms como primer elemento de derivación para actuar como carga al final de la línea de microfibra. Esto también dio resultados muy diferentes, por encima del 10%.

Después de algunos cálculos y simulaciones, me di cuenta de que la almohadilla de soldadura de 1,3 mm de ancho para el conector de borde SMA estaba añadiendo una sección de 10 ohmios de línea de transmisión a la línea de 50 ohmios, que de otro modo sería de 50.

Esto, en combinación con las otras partes del circuito, resultó en una alteración significativa de la impedancia total desde el conector hasta el amplificador, resultando en una mala ROE, pérdida de retorno, etc.

Lo arreglé sustituyendo el SMA por un conector de menor huella que era una opción en la placa pero que no estaba instalado originalmente. Así que, sí, la otra placa anterior tenía un borde de SMA soldado directamente en la línea de microstrip fina a la que se le había quitado la máscara de soldadura, por lo que no había ninguna almohadilla de SMA para introducir esta línea extra de baja impedancia en serie.

Answer 2

1. Posible mala colocación de los componentes en la casa de montaje... el fabricante insiste en que no fue posible

No te fíes de ellos. Una mala colocación de los componentes puede tener un efecto dramático, así que es lo primero que debes comprobar. Deberías probar todos los condensadores e inductores del circuito de la antena. Para una prueba rápida de los inductores, mide su resistencia DC. Debería ser la misma en ambas placas. Los condensadores probablemente tendrán que ser retirados para la prueba. También podrías intentar quitar las piezas de una placa buena y transferirlas a una placa mala (y viceversa).

2. ¿Posibles daños en el frontal de RF durante el montaje? Una vez más, el fabricante insiste en que no es posible, y que sería extraño que esto ocurra en las 8 placas

Creo que es muy poco probable que un daño en el CI cause el mismo cambio de impedancia en las 8 placas. En los comentarios dices que sustituiste un CI y la impedancia seguía sin corregirse, lo cual es una prueba más de que el CI no es el problema.

3. Las modificaciones más recientes de la ruta podrían haber impactado lo suficiente en los nuevos tableros ?!?

Sí, es posible. Sin embargo, suponiendo que las vías sean del mismo diámetro, etc., no veo nada en tus placas que explique una diferencia de impedancia tan grande. En la placa B, un condensador (¿C34?) ha hecho que el plano de tierra superior sea más estrecho al pasar por la salida, pero dudo que esto tenga un gran efecto.

4. He escuchado la sugerencia de que un menor grosor del sustrato podría aumentar la capacitancia parásita en las almohadillas de los componentes 0402 y tal vez tomar el partido "fuera de onda".

Desde luego que sí. También aumentaría la capacitancia de las trazas entre las almohadillas y reduciría la inductancia de las vías.

añadir otro 0,16pF en || a un 12pF o incluso un 3,3pF simplemente no parece convencerme...

...suponiendo que tus cálculos sean correctos. Pero 0,16/3,3 es el 5%, y si su copia del diseño original es ya desajustado, entonces otro porcentaje podría suponer una diferencia significativa. Cambiar el grosor del sustrato no es algo que yo haría si simplemente copiara un diseño existente.

Otra cosa que puede tener en cuenta es que las placas tienen diferentes máscaras de soldadura. La máscara de soldadura introduce pérdidas dieléctricas, que pueden variar en función del grosor y la formulación.