PCB Tecnico - Circuito ad alta frequenza: confronto della linea microstrip e della guida d'onda complanare messa a terra

Quando si seleziona il materiale ottimale del circuito stampato ad alta frequenza PCB per una determinata progettazione del circuito, il progettista di circuiti stampati ad alta frequenza di solito deve considerare i cambiamenti di prestazione, le dimensioni fisiche e il livello di potenza del circuito. La scelta della diversa tecnologia della linea di trasmissione influenzerà le prestazioni finali della progettazione del circuito del circuito ad alta frequenza, come l'uso della linea microtrip o della guida d'onda complanare messa a terra (GCPW). La maggior parte dei progettisti conosce l'evidente differenza tra la linea di microstrip ad alta frequenza e la linea di striscia del circuito ad alta frequenza, ma la guida d'onda complanare nel design del circuito ad alta frequenza a terra è abbastanza diversa dalla linea tradizionale di microstrip.

La guida d'onda complanare messa a terra può portare molti vantaggi e comodità alla progettazione del progettista del circuito della scheda di radiofrequenza a microonde ad alta frequenza. Quando si scelgono diversi circuiti, è molto utile capire l'influenza dei diversi materiali del circuito stampato ad alta frequenza (scheda radio frequenza a microonde) sulla linea microstrip e sul circuito complanare della guida d'onda a terra. Le diverse strutture dei due circuiti sono visibili nella figura sottostante.

Possiamo vedere che la struttura del circuito microtrip progettato dal circuito ad alta frequenza è che la linea del conduttore di segnale è elaborata sulla parte superiore dello strato dielettrico e la superficie del conduttore di terra è nella parte inferiore dello strato dielettrico. Nella struttura della guida d'onda complanare messa a terra, oltre al piano di terra nella parte inferiore dello strato dielettrico, due piani di terra aggiuntivi sono aggiunti sulla parte superiore dello strato dielettrico e i conduttori di segnale sono in questi due piani di terra e sono distanziati l'uno dall'altro. I piani di terra superiore e inferiore sono collegati attraverso vias riempiti di metallo per ottenere prestazioni di messa a terra coerenti. Inoltre, per garantire la coerenza delle discontinuità del circuito come i giunti, molti circuiti di guida d'onda complanare a terra utilizzano barre bus a terra per raggiungere il collegamento elettrico tra i due conduttori di terra di livello superiore.

La differenza tra le due tecnologie della linea di trasmissione è che nella guida d'onda complanare messa a terra, la piccola spaziatura tra il conduttore di terra superiore e il conduttore di segnale può raggiungere bassa impedenza del circuito e l'impedenza del circuito può essere cambiata regolando la spaziatura. Man mano che la distanza tra il conduttore di terra e il conduttore di segnale aumenta, anche l'impedenza aumenterà. Quando aumenta la distanza tra il conduttore di terra superiore e il conduttore di segnale della guida d'onda complanare messa a terra, l'influenza del conduttore di terra sul circuito sarà ridotta. Quando la spaziatura è abbastanza grande, il circuito di guida d'onda complanare a terra è simile a un circuito microtrip.

Perché certe linee di trasmissione presentano vantaggi rispetto ad altre tecnologie di trasmissione? Ovviamente, rispetto alla guida d'onda complanare messa a terra, la linea microstrip ha una struttura semplice, che è più conveniente per l'elaborazione e la modellazione al computer. La linea di microstrip e la linea di striscia dei circuiti ad alta frequenza sono la tecnologia della linea di trasmissione più comunemente utilizzata nella banda a microonde, ma nella banda di frequenza dell'onda millimetrica, la perdita della linea di microstrip e del circuito della striscia aumenterà. Ciò riduce l'efficienza di queste due tecnologie di linea di trasmissione nelle bande di frequenza di 30 GHz e superiori. Tuttavia, la guida d'onda complanare messa a terra ha una solida struttura di messa a terra e una perdita inferiore nella banda ad alta frequenza. Ciò fornisce potenziali vantaggi e prestazioni stabili per la progettazione di bande di frequenza d'onda millimetriche e persino 100GHz e oltre bande di frequenza.

L'effettiva costante dielettrica del materiale del circuito stampato ad alta frequenza del PCB determinerà la dimensione della struttura del circuito, come l'impedenza caratteristica di 50 ohm. Ad esempio, sulla base della linea di trasmissione del materiale ceramico del circuito idrocarburico RO4350B della scheda ad alta frequenza Rogers, la larghezza del circuito sotto la condizione di impedenza caratteristica di 50 ohm della scheda ad alta frequenza Rogers sarà basata sul valore costante dielettrico del materiale 3,48. Ma per le guide d'onda complanari a terra che utilizzano questo materiale, la costante dielettrica efficace diminuirà. Poiché il campo elettromagnetico sarà più distribuito nell'aria sopra il circuito piuttosto che nel materiale dielettrico del circuito stampato ad alta frequenza, la costante dielettrica effettiva della guida d'onda complanare messa a terra sarà ridotta rispetto alla linea microtrip. La differenza tra la costante dielettrica effettiva della guida d'onda coplanare messa a terra e la linea microtrip dipende anche dallo spessore dielettrico della guida d'onda coplanare messa a terra e dalla distanza tra la linea del segnale e il terreno dello strato superiore.

Quando si sceglie di utilizzare la linea microtrip ad alta frequenza o la tecnologia della linea di trasmissione complanare messa a terra della guida d'onda, che ruolo gioca il materiale del circuito stampato ad alta frequenza PCB? Parametri materiali come la permittività (Dk) e la coerenza della permittività influenzeranno le prestazioni elettriche della linea di trasmissione. Poiché il campo elettromagnetico può propagarsi sia all'interno che all'esterno del materiale della costante dielettrica Dk, la sua modalità di propagazione nella struttura del circuito è diversa, che influisce sulla costante dielettrica effettiva del materiale del circuito. Per la struttura del circuito microtrip della linea di trasmissione superiore e del piano di terra inferiore, il suo campo elettromagnetico è distribuito principalmente all'interno del materiale dielettrico tra i due piani metallici e concentrato sul bordo del conduttore del segnale. Pertanto, la costante dielettrica effettiva del circuito microtrip è strettamente correlata al valore costante dielettrico del materiale PCB. Ad esempio, il materiale ceramico PCB idrocarburi RO4350B di Rogers Corporation, il valore standard di processo della costante dielettrica nella direzione z (spessore) a 10GHz è 3,48 e la deviazione costante dielettrica dell'intero materiale è mantenuta a ±0,05.

PCB high-frequency circuit board processing factors have less influence on microstrip circuit than on grounded coplanar waveguide circuit. For example, the PCB copper thickness difference has little effect on the performance of the microstrip circuit, but it will affect the performance of the grounded coplanar waveguide circuit. For microstrip circuits, the thicker PCB copper layer thickness only slightly reduces the insertion loss and reduces the effective dielectric constant of the circuit. As for the grounded coplanar waveguide circuit, a thicker PCB copper layer thickness will increase the electromagnetic field between the top ground-signal line and the ground, which increases the electromagnetic field distribution in the air above the grounded coplanar waveguide circuit. The increase in the electromagnetic field distribution in the air leads to a significant decrease in the circuit loss of the grounded coplanar waveguide circuit using a thicker PCB copper layer thickness and the effective dielectric constant of the PCB.

Si può trovare che sebbene la linea microstrip abbia un'elevata perdita di radiazione nelle bande di frequenza ad alta frequenza e di onda millimetrica ed è difficile ottenere la soppressione della modalità di ordine elevato, la linea microstrip può ancora essere adatta per circuiti con banda di banda a microonde relativamente stretta. E il circuito microstrip è relativamente insensibile alla tecnologia di elaborazione del circuito stampato ad alta frequenza PCB e alle differenze di spessore e spessore dello strato di rame. Al contrario, le guide d'onda complanari a terra hanno una perdita di radiazione relativamente bassa nella banda d'onda millimetrica e possono raggiungere una buona soppressione della modalità di ordine elevato, il che rende le guide d'onda complanari a terra una tecnologia di linea di trasmissione candidata per 30GHz e oltre. Inoltre, il circuito di guida d'onda complanare a terra ha requisiti relativamente meno rigorosi sulla tecnologia di elaborazione e sulla deviazione del circuito ad alta frequenza PCB, il che rende la guida d'onda complanare a terra adatta per la produzione di massa e l'applicazione nella banda ad alta frequenza.