PCB Tecnico - Circuito GCPW applicato alla frequenza d'onda millimetrica

Circuito GCPW applicato alla frequenza d'onda millimetrica

Con il rapido sviluppo della moderna tecnologia di comunicazione, le risorse dello spettro nelle bande di frequenza a bassa frequenza e microonde sono sempre più esaurite e sempre più applicazioni wireless si stanno espandendo a frequenze d'onda millimetrica più elevate (mmWave). Ad esempio, applicazioni come le comunicazioni mobili cellulari wireless di quinta generazione (5G) e i sistemi avanzati di assistenza alla guida (ADAS) utilizzano tutte bande di frequenza superiori a 24 GHz. Tuttavia, la potenza di un segnale di solito diminuisce man mano che la frequenza aumenta. Pertanto, la tecnologia del circuito a onde millimetriche deve fare pieno uso della potenza del segnale esistente riducendo al minimo la perdita del segnale. Mantenere la potenza del segnale nei circuiti d'onda millimetrica non dipende solo dal materiale del circuito stampato (PCB), ma anche dalla scelta della tecnologia della linea di trasmissione. Se i fattori che influenzano il processo di progettazione e produzione del circuito sono pienamente considerati, allora la linea di trasmissione complanare a terra della guida d'onda (GCPW) alla frequenza d'onda millimetrica e l'uso di materiali PCB a bassa perdita possono raggiungere prestazioni eccellenti del circuito.

Rispetto ad altre tecnologie di linea di trasmissione ad alta frequenza (come: linea di striscia, linea microstrip), la tecnologia del circuito GCPW presenta vantaggi naturali, specialmente alle frequenze di onda millimetrica. La struttura di GCPW è semplice e chiara: la linea di trasmissione di livello superiore adotta una struttura "terra-segnale-terra (GSG)", lo strato medio è uno strato dielettrico a singolo strato, lo strato inferiore è uno strato di terra e gli strati di terra superiore e inferiore sono interconnessi da fori placcati attraverso (PTH) . Sebbene il GCPW non sia conforme alla struttura semplice di una linea microtrip, il GCPW è molto più semplice di una stripline (con uno strato dielettrico in alto e in basso). Rispetto al GCPW, anche se la struttura della linea microtrip è semplice, aumenterà la perdita alla frequenza d'onda millimetrica. Alle frequenze d'onda millimetriche, i circuiti della linea di trasmissione microtrip sono più facili da irradiare energia al mondo esterno rispetto ai circuiti GCPW, specialmente nei circuiti e negli involucri strettamente disposti, ci sono potenziali interferenze e problemi di compatibilità elettromagnetica (EMC).

Tuttavia, l'applicazione finale delle prestazioni di GCPW deve anche comprendere l'impatto del circuito nell'elaborazione effettiva, perché quando si utilizzano vari software computerizzati (CAE) per simulare il circuito GCPW, le impostazioni dei parametri delle proprietà del materiale sono quasi ideali. Pertanto, questi fattori possono causare una certa differenza tra i risultati della simulazione del software e i risultati effettivi della misurazione del circuito GCPW effettivamente elaborato, specialmente per la progettazione di circuiti ad onde millimetriche ad alto volume.

Anche prima che il circuito venga elaborato, piccoli cambiamenti nel materiale PCB influenzeranno le prestazioni del circuito GCPW, specialmente alla piccola lunghezza d'onda della frequenza d'onda millimetrica e la lunghezza d'onda è molto sensibile a questi cambiamenti. Ad esempio, cambiamenti nello spessore del materiale dielettrico e nello spessore del conduttore causeranno cambiamenti nelle prestazioni del GCPW alle frequenze d'onda millimetriche. La rugosità superficiale nel conduttore di rame influisce anche sulle prestazioni di GCPW e qualsiasi altro strato di placcatura (come lo strato di placcatura PTH utilizzato per realizzare il circuito GCPW) influenzerà anche le prestazioni di GCPW.

Trattamento di processo

Sebbene la tecnologia della linea di trasmissione GCPW sia molto adatta per la produzione di circuiti PCB ad alta consistenza alle frequenze d'onda millimetriche, deve comunque essere utilizzata in combinazione con materiali di circuiti stampati ad alta affidabilità (come costante dielettrica Dk, fattore di perdita Df). Inoltre, la tecnologia di elaborazione del circuito d'onda millimetrica deve essere ripetibile per garantire che il circuito possa mantenere una buona coerenza nella produzione di massa. I cambiamenti nella tecnologia di elaborazione possono causare cambiamenti nelle prestazioni del PCB. Ad esempio, la posizione del PTH utilizzato per collegare i due piani di terra nel circuito GCPW può variare da circuito a circuito, e questa piccola differenza diventerà anche una causa di cambiamenti di prestazioni.

La forma del conduttore GCPW può variare da circuito a circuito, con conseguente differenze di prestazioni tra circuiti GCPW fabbricati. Quando si modellano conduttori in lamina di rame, il software di simulazione CAE di solito lo assume come forma ideale del conduttore (rettangolare da una vista trasversale). E utilizzare questo come base per prevedere il livello di prestazioni di un dato circuito. Tuttavia, nell'elaborazione effettiva, la maggior parte dei conduttori di superficie dei circuiti GCPW sono elaborati in una forma trapezoidale e i conduttori di circuiti diversi hanno un certo grado di cambiamento. I cambiamenti in questi conduttori causeranno cambiamenti nelle prestazioni elettriche del circuito GCPW, in particolare l'impatto sulla perdita di inserzione e sull'angolo di fase del segnale, e l'impatto di tali cambiamenti aumenterà con l'aumento della frequenza.

A causa della differenza tra il conduttore effettivo e il conduttore ideale, c'è una differenza tra il livello di prestazione del circuito reale (il conduttore è trapezoidale dopo l'elaborazione) e il circuito ideale (rettangolare). Poiché la lunghezza d'onda corrispondente del segnale diventa più piccola alle frequenze d'onda millimetriche, è estremamente sensibile ai circuiti. Il conduttore del circuito ideale riflette i più piccoli cambiamenti nella costante dielettrica effettiva e nella risposta di fase relativa del circuito, mentre il processo di produzione standard del PCB inevitabilmente presenta cambiamenti minori. Errori, che possono anche causare cambiamenti di prestazioni tra circuiti.

Inoltre, il circuito GCPW ha una diversa quantità di accoppiamento in base alla densità della spaziatura laterale nella struttura GSG. Generalmente, i conduttori che sono più vicini tra loro producono accoppiamenti più stretti. Rispetto alle linee di trasmissione GCPW liberamente accoppiate, i circuiti GCPW strettamente accoppiati hanno una maggiore densità di corrente sui lati dei conduttori complanari. I circuiti GCPW liberamente accoppiati sono meno sensibili ai cambiamenti del processo di produzione dei circuiti perché non possono ottenere terreno aggiuntivo e si comportano molto come i circuiti della linea di trasmissione microstrip.

Qualsiasi materiale del circuito stampato utilizzato per fabbricare la piastra dei circuiti GCPW dell'onda millimetrica, quale il laminato RO3003™ di Rogers Corporation (Dk dell'asse z è 3.00±0.04, Df a 10 GHz è 0.0010), e la sua superficie del foglio di rame (foglio di rame e dielettrico La rugosità dell'intersezione dello strato) influenzerà le prestazioni dei circuiti realizzati su questo materiale, soprattutto nelle frequenze più elevate (come le frequenze d'onda millimetriche) e nei circuiti più sottili. La superficie ruvida della lamina di rame causerà l'aumento della perdita di inserzione di questi circuiti e la velocità della fase del segnale per rallentare. La perdita di inserimento del conduttore è influenzata anche dalla larghezza relativa del conduttore di lamina di rame e dallo spessore del conduttore. Un conduttore più ampio mostrerà meno perdite e un conduttore più spesso farà sì che la linea di trasmissione GCPW usi più aria (con un valore Dk inferiore dell'unità) e trasmetta con una perdita inferiore. Naturalmente, i materiali del circuito con un valore Dk superiore porteranno anche ad una velocità di fase più lenta.

Placcatura metallica

La produzione di qualsiasi tipo di circuito GCPW comporterà la galvanizzazione del materiale PCB. Ad esempio: quando si fa tramite metallizzazione, alcuni fori saranno forati nel materiale del circuito stampato e la parete del foro sarà elettroplaccata con uno strato di rame per realizzare la conduzione tra gli strati di terra superiore e inferiore. In questo processo, i livelli superiore e inferiore sono collegati. Lo strato di rame del PCB sarà inevitabilmente placcato di nuovo con uno strato di rame. Inoltre, la placcatura metallica può essere eseguita nuovamente sul circuito GCPW per formare lo strato finale di placcatura del trattamento superficiale e proteggere il conduttore di rame. La conducibilità del metallo utilizzato per la galvanizzazione del trattamento superficiale è solitamente inferiore a quella del rame, che aumenterà la perdita del conduttore e porterà ad un aumento della perdita di inserzione; Inoltre, la superficie di questo rivestimento influenzerà anche la risposta di fase, quindi questo effetto è necessario alle frequenze d'onda millimetriche. Considerato.

Ci sarà sicuramente una differenza tra i risultati della simulazione del software per computer e i risultati della misurazione del circuito GCPW ad onda millimetrica effettivamente elaborato. Una delle chiavi per la produzione di massa di successo dei circuiti GCPW ad onda millimetrica è ridurre al minimo i vari cambiamenti di errore attraverso specifiche caratteristiche del materiale e specifiche caratteristiche del circuito. Comprendendo come i materiali maturi del circuito stampato (come il laminato RO3003) saranno influenzati dai diversi processi di produzione GCPW, è possibile stabilire standard significativi di tolleranza delle prestazioni di produzione. Così, anche per un circuito ADAS ad onda millimetrica di 77 GHz, è possibile ottenere un rendimento elevato.