Technologie PCB - Carte de circuit haute fréquence: comparaison des lignes microruban avec un guide d'onde coplanaire mis à la terre

Lors du choix du meilleur matériau de carte PCB haute fréquence pour une certaine conception de circuit, les concepteurs de cartes haute fréquence doivent souvent tenir compte des variations de performance, des dimensions physiques et des niveaux de puissance du circuit. Le choix de différentes technologies de lignes de transmission influencera les performances finales de la conception de circuits de cartes haute fréquence, telles que l'utilisation de lignes microruban ou de guides d'ondes coplanaires à la Terre (gcpw). La plupart des concepteurs connaissent la différence évidente entre une ligne microbande haute fréquence et une ligne ruban d'une carte à haute fréquence, mais les guides d'ondes coplanaires dans la conception d'une carte à haute fréquence mise à la terre sont très différents d'une ligne microbande traditionnelle.

Le Guide d'onde coplanaire mis à la terre peut apporter de nombreux avantages et commodités à la conception des concepteurs de circuits pour les cartes RF hyperfréquences à haute fréquence. Lors de la sélection de différents circuits, il est très utile de comprendre l'impact de différents matériaux de carte PCB haute fréquence (carte RF micro - ondes) sur les lignes microruban et les circuits de guide d'onde coplanaire à la terre. La structure différente de ces deux circuits est visible sur la figure ci - dessous.

Nous pouvons voir que la structure d'un circuit microruban conçu par une carte à haute fréquence est telle que les fils de signal sont traités au - dessus de la couche diélectrique et que la surface du conducteur de masse est au - dessous de la couche diélectrique. Dans la structure de guide d'onde coplanaire à la masse, deux surfaces de masse supplémentaires sont ajoutées au Sommet de la couche diélectrique, en plus du plan de masse à la base de la couche diélectrique, et les conducteurs de signal sont dans ces deux plans de masse et espacés l'un de l'autre. Les plans de masse supérieurs et inférieurs sont reliés par des trous métallisés remplis pour des performances de mise à la terre constantes. De plus, pour assurer la cohérence des discontinuités de circuits tels que des jonctions, de nombreux circuits de guidage d'ondes coplanaires à la masse utilisent des barres conductrices de masse pour réaliser la connexion électrique entre les deux conducteurs de masse de niveau supérieur.

La différence entre les deux technologies de ligne de transmission réside dans le fait que, dans un guide d'onde coplanaire à la masse, un faible espacement entre le conducteur de masse supérieur et le conducteur de signal permet une faible impédance du circuit et peut modifier l'impédance du circuit en ajustant l'espacement. Comme la distance entre le conducteur de terre et le conducteur de signal augmente, l'impédance augmentera également. Lorsque la distance entre le conducteur de masse supérieur et le conducteur de signal du Guide d'onde coplanaire à la terre augmente, l'effet du conducteur de masse sur le circuit diminue. Un circuit de guide d'onde coplanaire à la masse est similaire à un circuit microruban lorsque l'espacement est suffisamment grand.

Pourquoi certaines lignes de transmission présentent - elles des avantages par rapport à d'autres technologies de lignes de transmission? De toute évidence, les lignes microruban ont une structure simple et sont plus faciles à manipuler et à modéliser par ordinateur que les guides d'ondes coplanaires mis à la terre. Les lignes microruban et les lignes à ruban des cartes à haute fréquence sont la technologie de ligne de transmission la plus couramment utilisée dans la bande des micro - ondes, mais dans la bande des ondes millimétriques, les pertes des lignes microruban et des circuits à ruban augmentent. Cela réduit l'efficacité de ces deux technologies de ligne de transmission dans les bandes de fréquences de 30 GHz et plus. Cependant, le Guide d'onde coplanaire à la terre a une structure de masse robuste et présente de faibles pertes dans la bande haute. Cela offre des avantages potentiels et des performances stables pour la conception de bandes d'ondes millimétriques et même de bandes de 100 GHz et plus.

La constante diélectrique effective du matériau de la carte PCB haute fréquence déterminera les dimensions de la structure du circuit, par exemple une impédance caractéristique de 50 ohms. Par exemple, sur la base de la ligne de transmission microbande de matériau de circuit en céramique d'hydrocarbures ro4350b de la carte haute fréquence Rogers, la largeur du circuit de la carte haute fréquence Rogers dans des conditions d'impédance caractéristique de 50 ohms sera basée sur la constante diélectrique du matériau de 3,48. Mais avec un guide d'onde coplanaire à la terre utilisant un tel matériau, la constante diélectrique effective diminue. Comme le champ électromagnétique sera plus réparti dans l'air au - dessus du circuit que dans le matériau diélectrique de la carte PCB haute fréquence, la constante diélectrique effective du Guide d'onde coplanaire à la masse sera réduite par rapport à une ligne microruban. La différence entre les constantes diélectriques effectives du Guide d'onde coplanaire et de la ligne microruban mis à la masse dépend également de l'épaisseur diélectrique du Guide d'onde coplanaire mis à la masse et de l'espacement entre la ligne de signal de la couche supérieure et la masse.

Quel rôle jouent les matériaux de carte PCB haute fréquence lorsqu'ils choisissent d'utiliser une ligne microbande haute fréquence ou une technologie de ligne de transmission coplanaire à guide d'onde mise à la terre? Des paramètres de matériau tels que la constante diélectrique (DK) et la cohérence de la constante diélectrique affecteront les propriétés électriques de la ligne de transmission. Comme le champ électromagnétique peut se propager à l'intérieur et à l'extérieur du matériau de constante diélectrique DK, son mode de propagation dans la structure du circuit est différent, ce qui affecte la constante diélectrique effective du matériau du circuit. Pour une structure de circuit microruban avec une ligne de transmission supérieure et un plan de masse inférieur, son champ électromagnétique est principalement réparti à l'intérieur du matériau diélectrique entre les deux plans métalliques et concentré sur les bords du conducteur de signal. La constante diélectrique effective d'un circuit microruban est donc étroitement liée à celle du matériau PCB. Par exemple, le matériau de PCB en céramique hydrocarbonée ro4350b de Rogers, avec une valeur standard de 3,48 pour la constante diélectrique dans la direction Z (épaisseur) à 10 GHz, maintient l'écart de la constante diélectrique à ± 0,05 pour l'ensemble du matériau.

Le facteur d'usinage de la carte PCB haute fréquence a moins d'effet sur les circuits microruban que sur les circuits à guide d'onde coplanaire mis à la terre. Par exemple, les différences d'épaisseur de cuivre PCB ont peu d'impact sur les performances d'un circuit microruban, mais peuvent affecter les performances d'un circuit de guide d'onde coplanaire à la terre. Pour les circuits microruban, l'épaisseur plus épaisse de la couche de cuivre PCB ne réduit que légèrement les pertes d'insertion et réduit la constante diélectrique effective du circuit. Pour un circuit de guide d'onde coplanaire mis à la terre, une épaisseur de couche de cuivre PCB plus épaisse augmentera le champ électromagnétique entre la ligne de signal de masse supérieure et le sol, ce qui augmente la distribution du champ électromagnétique dans l'air au - dessus du circuit de guide d'onde coplanaire mis à la terre. L'augmentation de la distribution du champ électromagnétique dans l'air conduit à une réduction significative des pertes de circuit d'un circuit guide d'onde coplanaire à la masse utilisant une épaisseur de couche de cuivre PCB plus épaisse et la constante diélectrique effective du PCB.

On constate que, bien que les lignes microbandes présentent des pertes rayonnantes élevées dans les bandes de fréquences hautes fréquences et millimétriques et qu'il est difficile d'obtenir une réjection de mode d'ordre supérieur, les lignes microbandes peuvent néanmoins être adaptées à des circuits dont la bande passante de la bande hyperfréquence est relativement étroite. Et le circuit microruban est relativement insensible au processus d'usinage de la carte PCB haute fréquence et aux différences d'épaisseur et d'épaisseur de la couche de cuivre. En revanche, les guides coplanaires à la Terre présentent des pertes rayonnantes relativement faibles dans la bande millimétrique et permettent une bonne réjection de mode d'ordre supérieur, ce qui fait des guides optiques coplanaires à la terre une technologie de ligne de transmission candidate à 30 GHz et au - delà. En outre, le processus d'usinage et les exigences de déviation du circuit guide d'onde coplanaire à la terre pour la carte PCB haute fréquence sont relativement faibles, ce qui rend le circuit guide d'onde coplanaire à la terre adapté à la production et à l'application à grande échelle dans la bande de fréquence.