¿Qué le pasa a mi guía de ondas coplanares en tierra de 50 Ω?

Question

He estado trabajando en un diseño de 4 capas construido en torno al SoC de baja energía de Bluetooth EFR32BG13. Mientras intentaba medir la impedancia de la antena para construir un circuito de adaptación, descubrí que mi línea de transmisión de guía de ondas coplanares con conexión a tierra corta (GCPW) actuaba más como una antena que como una línea de transmisión.

Para acotar la causa del problema, construí un simple tablero de prueba de línea de transmisión de 4 capas, que se muestra aquí:

El tablero es de 100 mm cuadrados. Hice que estas placas fueran fabricadas por ALLPCB, que especifican 35 μm de cobre en todas las capas y 0,175 mm de dieléctrico (constante dieléctrica 4,29) entre las dos primeras capas. Usando AppCAD, encontré que un diseño con un ancho de traza de 0,35 mm y una separación de 0,25 mm produce una impedancia de 48,5 Ω. La capa superior de la placa se muestra en rojo arriba. Las otras tres capas son planos de tierra que se ven así:

Recibí las placas hoy y empecé probando el S21 para la segunda sección desde abajo, una pieza recta de GCPW con conectores SMA en cada extremo. Utilicé un HP 8753C / HP 85047A con una longitud corta de coaxial conectado a los puertos 1 y 2 y la placa de prueba conectada entre esas longitudes de coaxial. Para mi sorpresa, esto es lo que vi:

A 2,45 GHz, mi línea de transmisión tiene una respuesta de -10 dB. Si reemplazo la placa por un conector pasante, veo exactamente lo que esperaría:

Estoy un poco perdido, ya que pensé que la primera prueba sería un mate y empezaría a encontrar problemas con las pruebas más complejas por encima de ella. Tengo un VNA y un fuerte deseo de aprender lo que estoy haciendo mal aquí. ¿Puede ver algún problema con mi método de prueba o con el propio diseño del GCPW? ¡Cualquier ayuda sería muy apreciada!

Editar: Como sugirió Neil_UK, he eliminado las térmicas de una tabla raspando la máscara de la soldadura y luego cerrando el hueco con soldadura. La medición de S11 y S21 con esta configuración da el siguiente resultado:

Comparando el gráfico S21 con el resultado anterior, no parece haber ninguna diferencia perceptible.

Edición 2: Como sugirió Mkeith, he dividido una de las "tiras" de mi tabla de prueba aparte del resto usando el viejo método de "puntuación y ruptura". La tabla que elegí romper es la misma tabla en la que eliminé las térmicas, por lo que este resultado es una modificación más de la trama anterior. Aquí está:

Hay una profundización de los canales en la trama S11, pero no hay una mejora significativa en la funcionalidad del tablero como línea de transmisión.

Edición 3: Aquí hay una foto del tablero en su más reciente encarnación:

Edición 4: Fotografías de cerca de ambos lados de un conector SMA:

El conector SMA es el Molex 0732511150. La tierra del PCB sigue las recomendaciones de la hoja de datos de aquí:

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

Edición 5: Aquí hay una sección transversal del tablero cerca de un borde:

Las líneas verdes están escaladas a partir de las especificaciones del fabricante, que se copian aquí:

Edición 6: Aquí hay una foto de arriba a abajo del tablero con líneas de escala rojas que muestran las dimensiones esperadas:

Edición 7: Para verificar el efecto de la gran tierra central de SMA, tallé la almohadilla central en una tabla para que fuera del mismo ancho que el resto del trazo. Luego usé cinta de cobre para extender el terreno a ambos lados:

Luego volví a probar el S11 y el S21:

Esto parece haber mejorado el S11 significativamente, lo que me lleva a creer que el gran centro de la tierra estaba, de hecho, creando una capacitancia en cada extremo de la línea que resultaba en resonancia.

Edición 8: Buscando alguna guía sobre cómo manejar la transición de SMA a GCPW, me encontré con este libro blanco:

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

Aunque el documento se refiere específicamente al uso de un sustrato de alta frecuencia, creo que gran parte de él sigue siendo aplicable aquí. Dos puntos principales se destacan para mí:

1. El GCPW debe continuar hasta el borde del tablero.
2. Los conectores SMA de lanzamiento final de alta frecuencia utilizan un pin central más corto y estrecho para minimizar su efecto en el GCPW. Estos pueden ser más apropiados para una aplicación como esta con un conductor central delgado en la línea de transmisión.

Answer 1

No debes usar "térmicas" cuando conectes a tierra los SMAs. Esas lengüetas de tierra deben ir directamente al gran plano de tierra intacto. No será aún más difícil de soldar, la mayor parte del SMA tiene que ser calentado de todos modos, por lo que no hay necesidad de esos tres inductores impresos en el suelo de cada SMA.

Si miras la ondulación en tu gráfico S21, la repetición de la ondulación es consistente con tener pobres puntos de coincidencia separados por el ancho de tu tabla. Puede que no sea la historia completa, pero resuelve este problema obvio antes de buscar un detalle más sutil.

No es necesario rehacer los tableros, puedes raspar cualquier resistencia y puentear los cortes con soldadura como una solución rápida. Edita tu post y añade las nuevas medidas cuando hayas hecho eso. Por cierto, el S11 suele ser una medida más sensible para hacer en líneas pasantes "esperadas" que el S21, aunque estoy de acuerdo, este S21 es bastante malo.

¿Cuál es el material de la junta (no es un detalle sin importancia)?

(editar)

Así que no son las térmicas, supongo que sólo estamos en 3GHz.

¿La línea está calculada correctamente? Con esas dimensiones, este La calculadora da 48,93, pero obviamente está usando cobre de espesor cero. Este uno da 47,42 con cobre de 35um, y coincide con el otro en el grosor cero, por lo que el diseño parece plausible. Esas diferencias con lo que se ha asumido no son suficientes para explicar las medidas.

¿Está el tablero fabricado correctamente?

El ancho y las dimensiones de la brecha serán fáciles de medir con un microscopio. El grosor del sustrato será más difícil. La constante dieléctrica del sustrato será aún más difícil. FR4 \$ \varepsilon_r\ $ puede variar dependiendo del grosor y de la relación cristal/resina. ¿La capa de 0,175mm es núcleo o pre-preg? Tenga en cuenta que el pre-preg puede variar mucho más que el núcleo cuando se ensambla, ya que las condiciones de ensamblaje no están tan bien controladas como para la fabricación del núcleo.

Una medición de la capacitancia en un trozo de tabla cortado de su tabla de prueba lejos de las vías de costura en tierra le dará una combinación de espesor y constante dieléctrica. Una medición de la longitud eléctrica en sus piezas de prueba le dará esencialmente una constante dieléctrica, con una pequeña contribución de la geometría.

Será trivial para usted modelar una longitud de línea de transmisión, y ajustar la longitud, la impedancia y la pérdida, hasta que el S11 y el S21 simulados coincidan con sus mediciones, incluso podría pedirle a su optimizador que lo haga automáticamente para usted. ¿Es ese un modelo plausible para sus resultados?

De repente he notado que las lengüetas de la señal en los conectores son muy anchas, lo que creará una corta longitud de línea de muy baja impedancia en cada conector, aunque a esta longitud, el modelado como un C abultado probablemente sería adecuado para los 3GHz. Añade dos C agrupadas a tu modelo e intenta ajustar esas simulaciones a tus resultados. Coloca una ampliación del área de la interfaz del conector para que podamos ver lo que está sucediendo allí correctamente.

(/edición)

Answer 2

Creo que interpretó mal la hoja de datos, o más bien no tuvo en cuenta el hecho de que tiene 4 capas y el suelo en la capa superior también, las recomendaciones de diseño no requieren eso con este diseño.

Dice "cobre en el lado inferior (del suelo)"

Así es como interpreto la hoja de datos;

El ancho de la almohadilla central está diseñado para estar bien ajustado/ tener cerca de 50ohm de impedancia cuando tienes una tabla de 1.57mm de espesor de DOBLE CAPA (no de 4 capas) con el plano de tierra en la parte inferior SOLAMENTE (~1.6mm por debajo de la pista) por eso también si miras la pista que se aleja de la terminal es aún más ancha que es porque con una tabla de 1.6mm con tierra en la parte inferior sólo necesitas una pista muy ancha para conseguir una impedancia de 50ohm.

Si no has quitado el cobre de las dos capas centrales de cobre que están debajo de la almohadilla central, entonces has movido el plano de tierra mucho más cerca de lo que se supone que está en las especificaciones de diseño. y también porque tienes tierra en el plano superior, también has cambiado la impedancia de eso. la distancia entre la almohadilla central y la de tierra especificada en la hoja de datos no se supone que esté llena de plano de tierra.