В статье автор сравнивает типы СВЧ линий передач, проводя электромагнитное моделирование.
Ключевые слова: СВЧ печатные платы, линии передачи, моделирование.
Выбор типа линии передачи для СВЧ печатных плат очень важен. Линия передачи состоит из двух проводников — сигнальной дорожки и опорной плоскости с диэлектрическим материалом, разделяющим их. Печатные платы служат основой для всех электронных устройств, цифровую обработку сигналов. Линии передачи используются для обмена сигналами между разными узлами, в частности для СВЧ плат — для передачи полезного сигнала между антеннами, усилительными каскадами и микросхемами, проводящих цифровую обработку сигналов.
В конструкции печатных плат есть три основных типа линий передачи: полосковые, микрополосковые и копланарные. Микрополосковые и копланарные линии используются для маршрутизации сигналов на внешних слоях печатной платы, в то время как полосковые линии — на внутренних слоях. Во всех случаях линия передачи содержит сигнальную дорожку и одну или несколько опорных плоскостей (Рис. 1).
Рис. 1. Микрополосковая линия — а), копланарная линия — б), полосковая линия — в), в разрезе
Микрополосковые и копланарные линии выбираются чаще, по сравнению с полосковыми, из-за их простоты. Несмотря на то, что полосковая линия может обеспечить отличную передачу СВЧ сигнала, с хорошей помехозащищенностью и изоляцией между соседними трассами, в производстве она будет дороже, чем первые два варианта. К недостаткам так же относится невозможность монтажа компонентов на полосковую линию. Вторая опорная плоскость также приводит к меньшей ширине проводника, относительно других типов линии передачи.
Чтобы наглядно понять различия между типами линий передач, необходимо сравнить данные измерений из разных испытательных схем. Материал подложки использован одинаковый. Измерения будут выполнены с помощью электромагнитных (EM) моделей и программного обеспечения для моделирования EM.
Для моделирования каждого типа линии передачи выбран участок 50 на 50 мм, ядро RO4003C c толщиной медного проводника 18 мкм (Рис. 2).
Рис. 2. Cтек слоев, используемый для моделирования микрополосковой и копланарной линии передачи
Для моделирования полосковой линии, потребовалась доработка стека слоев (Рис. 3). Количество проводящих слоев увеличилось до 4, сама линия передачи находится на внутреннем слое.
Рис. 3. Cтек слоев, используемый для моделирования полосковой линии
На следующем шаге для каждой модели от начала до конца проводника расставляются волноводные порты, как показано на рис. 4 и рис. 5.
Рис. 4. Пример ЕМ модели копланарной линии передач
Рис. 5. Пример ЕМ модели микрополосковой линии передач
Для демонстрации будет использована матрица S-параметров. С ее помощью можно увидеть потери в прямом и обратном направлении между портом 1 и портом 2 (S21 и S12). Расчет матрицы S-параметров будет проводиться в диапазоне от 100 МГц до 10000 МГц, с шагом 100 МГц. Результаты моделирования изображены на рис. 6.
Рис. 6. Затухание на полосковой линии (1), копланарной линии (2), микрополосковой линии (3)
Результаты моделирования указывают на то, что полосковая линия имеет наименьшее затухание среди всех, однако в силу ее недостатков, в частности невозможности монтажа компонентов, лучшим выбором станет копланарная линия. Далее сравним коэффициент стоячей волны (КСВ), рассчитанный во всех трех ЕМ моделях на рис. 7.
Рис. 7. КСВ полосковой линии (1), копланарной линии (2), микрополосковой линии (3)
На графике видно, что копланарная линия обладает наименьшим КСВ из всех, что по сути являясь лучшим типом линии передачи, однако для СВЧ линий с частотами сигналов ближе 10000 МГц требуются пассивные элементы (конденсаторы, индуктивности), выполненные топологически, что затруднительно сделать на копланарной линии, но легко на микрополосковой.
В соответствие с результатами моделирования лучшим выбором является использование копланарной линии передачи вместе с микрополосковой для выполнения топологических пассивных элементов. Моделирование СВЧ цепей и печатных плат помогает заранее избежать ошибок при проектировании, особенно, если цена изделия очень высока.
Литература:
- Антенны и устройства СВЧ. Проектирование ФАР /Под. ред. Д. И. Воскресенского. — М.: Радио и связь, 1981. — 431 с.
- Гупта К., Гардж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ устройств. — М.: Радио и связь, 1987. — 428 с.
- Разевиг В. Д., Потапов Ю. В., Курушин А. А. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. Под ред. В. Д. Разевига, М., СOЛОН Пресс, 2003, 496 стр (Серия «Системы проектирования»), 496 стр.
