Teknik PCB - Papan sirkuit frekuensi tinggi: perbandingan garis microstrip dan panduan gelombang koplanar terendah

Apabila memilih bahan papan sirkuit frekuensi tinggi PCB optimal untuk desain sirkuit tertentu, pereka papan sirkuit frekuensi tinggi biasanya perlu mempertimbangkan perubahan prestasi, saiz fizik, dan aras kuasa sirkuit. Pilihan teknologi garis penghantaran berbeza akan mempengaruhi prestasi akhir bagi rancangan litar papan litar frekuensi tinggi, seperti penggunaan garis microstrip atau panduan gelombang koplanar (GCPW). Kebanyakan desainer tahu perbezaan yang jelas antara garis microstrip frekuensi tinggi dan garis strip papan sirkuit frekuensi tinggi, tetapi panduan gelombang koplanar dalam desain papan sirkuit frekuensi tinggi dibawah agak berbeza dari garis microstrip tradisional.

Pemandu gelombang koplanar berdasar boleh membawa banyak manfaat dan kesenangan untuk desain pereka sirkuit papan frekuensi radio gelombang mikrofrekuensi tinggi. Apabila memilih sirkuit yang berbeza, ia sangat berguna untuk memahami pengaruh papan sirkuit frekuensi tinggi PCB yang berbeza (papan frekuensi radio gelombang mikro) pada garis microstrip dan sirkuit panduan gelombang koplanar mendarat. Struktur berbeza kedua-dua sirkuit boleh dilihat dalam figur di bawah.

Kita boleh lihat struktur sirkuit microstrip yang direka oleh papan sirkuit frekuensi tinggi ialah garis konduktor isyarat diproses di atas lapisan dielektrik, dan permukaan konduktor tanah berada di bawah lapisan dielektrik. Dalam struktur panduan gelombang koplanar berdasar, selain dari pesawat tanah di bawah lapisan dielektrik, dua pesawat tanah tambahan ditambah di atas lapisan dielektrik dan konduktor isyarat berada dalam dua pesawat tanah ini dan terpisah selain satu sama lain. Pesawat atas dan bawah tanah disambung melalui kunci penuh logam untuk mencapai prestasi pendaratan konsisten. Selain itu, untuk memastikan konsistensi penghentian sirkuit seperti kongsi, banyak sirkuit pemandu gelombang koplanar berdasarkan tanah menggunakan bar bas berdasarkan tanah untuk mencapai sambungan elektrik antara dua konduktor tanah tingkat atas.

Perbezaan antara dua teknologi garis transmisi adalah bahawa dalam panduan gelombang koplanar berdasar, jarak kecil antara konduktor atas tanah dan konduktor isyarat boleh mencapai impedance rendah sirkuit, dan impedance sirkuit boleh diubah dengan menyesuaikan jarak. Bila jarak antara konduktor tanah dan konduktor isyarat meningkat, impedance juga akan meningkat. Apabila jarak antara konduktor tanah atas dan konduktor isyarat panduan gelombang koplanar berdasarkan tanah meningkat, pengaruh konduktor tanah pada sirkuit akan dikurangi. Apabila jarak cukup besar, sirkuit panduan gelombang koplanar mendarat adalah sama dengan sirkuit microstrip.

Mengapa garis penghantaran tertentu mempunyai keuntungan atas teknologi garis penghantaran lain? Jelas sekali, dibandingkan dengan panduan gelombang koplanar berdasar, garis microstrip mempunyai struktur sederhana, yang lebih sesuai untuk pemprosesan dan pemodelan komputer. Garis microstrip dan garis strip papan sirkuit frekuensi tinggi adalah teknologi garis transmisi yang paling biasa digunakan dalam band mikrogelombang, tetapi dalam band frekuensi gelombang milimeter, kehilangan garis microstrip dan sirkuit garis strip akan meningkat. Ini mengurangkan efisiensi kedua-dua teknologi garis penghantaran dalam band frekuensi 30 GHz dan lebih. Namun, panduan gelombang koplanar berdasar mempunyai struktur pendaratan kuat dan kehilangan lebih rendah dalam band frekuensi tinggi. Ini menyediakan keuntungan potensi dan prestasi stabil untuk desain bands frekuensi gelombang milimeter dan bahkan bands frekuensi 100GHz dan di atas.

Pemegang dielektrik yang berkesan bagi bahan papan sirkuit frekuensi tinggi PCB akan menentukan saiz struktur sirkuit, seperti impedance karakteristik 50 ohm. Contohnya, berdasarkan papan frekuensi tinggi Rogers RO4350B hidrokarbon bahan sirkuit keramik garis penghantaran microstrip, lebar sirkuit di bawah kondisi pengendalian karakteristik 50 ohm papan frekuensi tinggi Rogers akan berdasarkan nilai konstan dielektrik bahan 3.48. Tetapi untuk pemandu gelombang koplanar berdasar menggunakan bahan ini, konstan dielektrik yang efektif akan menurun. Kerana medan elektromagnetik akan lebih disebarkan dalam udara di atas sirkuit daripada dalam bahan dielektrik papan sirkuit frekuensi tinggi PCB, konstan dielektrik efektif bagi panduan gelombang koplanar berdasarkan tanah akan dikurangi dibandingkan dengan garis microstrip. Perbezaan antara konstan dielektrik berkesan bagi panduan gelombang koplanar berdasar dan garis microstrip juga bergantung pada tebal dielektrik bagi panduan gelombang koplanar berdasar dan jarak antara garis isyarat dan tanah lapisan atas.

Apabila memilih untuk menggunakan garis microstrip frekuensi tinggi atau teknologi garis pemindahan panduan gelombang koplanar dibawah, peran apa yang PCB mainkan bahan papan sirkuit frekuensi tinggi? Parameter materi seperti kebenaran (Dk) dan konsistensi kebenaran akan mempengaruhi prestasi elektrik garis transmisi. Kerana medan elektromagnetik boleh merebak kedua-dua dalam dan diluar bahan konstan dielektrik Dk, mod penyebaran dalam struktur sirkuit berbeza, yang mempengaruhi konstan dielektrik efektif bahan sirkuit. Untuk struktur sirkuit mikrostrip garis pemindahan atas dan pesawat bawah tanah, medan elektromagnetiknya terutama dipindahkan dalam bahan dielektrik antara dua pesawat logam, dan berkoncentrasi pada pinggir konduktor isyarat. Oleh itu, konstan dielektrik efektif sirkuit microstrip terkait dengan nilai konstan dielektrik bahan PCB. Contohnya, bahan PCB keramik hidrokarbon RO4350B dari Rogers Corporation, nilai piawai proses konstan dielektrik dalam arah z (tebal) pada 10GHz Ia adalah 3.48, dan penyelesaian konstan dielektrik seluruh bahan disimpan pada ±0.05.

Faktor pemprosesan papan sirkuit frekuensi tinggi PCB mempunyai sedikit pengaruh pada sirkuit microstrip berbanding pada sirkuit panduan gelombang koplanar. Contohnya, perbezaan tebing PCB mempunyai sedikit kesan pada prestasi sirkuit microstrip, tetapi ia akan mempengaruhi prestasi sirkuit panduan gelombang koplanar berdasar. Untuk sirkuit microstrip, tebal lapisan tembaga PCB yang lebih tebal hanya sedikit mengurangkan kerugian penyisihan dan mengurangkan konstan dielektrik efektif sirkuit. Adapun litar panduan gelombang koplanar berdasar, lebar lapisan tembaga PCB yang lebih tebal akan meningkatkan medan elektromagnetik antara garis isyarat-tanah atas dan tanah, yang meningkatkan distribusi medan elektromagnetik di udara di atas litar panduan gelombang koplanar berdasar. Peningkatan distribusi medan elektromagnetik di udara membawa kepada kerugian yang signifikan dalam sirkuit kehilangan sirkuit panduan gelombang koplanar berdasarkan menggunakan tebal lapisan tembaga PCB yang lebih tebal dan konstan dielektrik yang efektif PCB.

Ia boleh ditemui bahawa walaupun garis microstrip mempunyai kerugian radiasi tinggi dalam frekuensi tinggi dan band frekuensi gelombang milimeter dan ia sukar untuk mencapai penahanan mod tertib tinggi, garis microstrip masih boleh sesuai untuk sirkuit dengan lebar band mikrogelombang relatif sempit. Dan sirkuit microstrip adalah relatif tidak sensitif kepada teknologi pemprosesan papan sirkuit frekuensi tinggi PCB dan ketepatan lapisan tembaga dan perbezaan ketepatan. Sebaliknya, pemandu gelombang koplanar berdasar mempunyai kerugian radiasi relatif rendah dalam band gelombang milimeter dan boleh mencapai penahanan mod tertib tinggi yang baik, yang menjadikan gelombang koplanar berdasar pemandu teknologi garis transmisi calon untuk 30GHz dan lebih. Selain itu, sirkuit panduan gelombang koplanar berdasarkan tanah mempunyai keperluan relatif kurang ketat pada teknologi pemprosesan dan penyerangan papan sirkuit frekuensi tinggi PCB, yang menjadikan panduan gelombang koplanar berdasarkan tanah sesuai untuk produksi dan aplikasi massa dalam band frekuensi tinggi.