Оценка влияния и учет параметров переходного отверстия на передачу высокочастотного сигнала
В.А. Ухин, В.С. Кухарук, Д.С. Коломенский, О.В. Смирнова
В статье оценивается влияние переходного отверстия на потери сигнала в линии передачи. Оценка выполняется с помощью расчета коэффициентов S матрицы. Подчеркивается необходимость реализации вычисления первичных и вторичных параметров межслойного перехода непосредственно в САПР печатных плат.
Практически невозможно спроектировать современное электронное устройство без контроля емкости, индуктивности и импеданса линий передач. Это характерно для всех видов аппаратуры.
Когда говорят о линиях передачи, реализованных на печатной плате, то часто подразумевают опорный слой и проводник определенного поперечного сечения в среде диэлектрика (рис. 1) [1, 2].
Рис. 1 Некоторые виды линий передач
На рисунке выше представлен «идеальный» случай, когда сигнальная линия размещена только на одном слое. Такая конфигурация не всегда реализуема, особенно на печатных платах высокой плотности (HDI). В HDI устройствах трасса, по которой распространяется высокочастотный сигнал, может располагаться на разных слоях и совершать переход через отверстия. Инженер контролирует параметры проводника, но игнорирует межслойный переход. Часто его выбирают из соображения технологичности и возможности размещения. В результате появляются искажения сигнала, так как линия становится несогласованной.
В статье оценим влияние межслойного перехода в линии передачи на потери, выполнив моделирование в модуле HFSS 3D Layout программы Ansys [3]. Проводник представим как двухпортовую систему (рис. 2) и вычислим коэффициенты S11, S21 для линии с отверстием и без него в частотном диапазоне от 1 ГГц до 10 ГГц.
Рис. 2 Двухпортовая система
Коэффициенты S11 и S21 рассчитываются по выражениям:
S11=b1/a1 при a2=0, (1)
S21=b2/a1 при a2=0, (2)
где а1 — напряжение падающей волны, b1 — напряжение отраженной волны, b2 — напряжение волны, вышедшей из Port 2.
Пусть длина линии составляет 40 мм, а импеданс 50 Ом. Структура печатной платы, для которой выполняется расчет, показана на рисунке 3.
Рис. 3 Структура печатной платы
Конструкция состоит из трех слоев. Сделано это специально для того, чтобы обеспечить один возвратный слой как для стороны Top, так и для стороны Bottom.
Рассмотрим случай, когда проводник располагается только на одной стороне печатной платы. Его ширина для соответствия импедансу в 50 Ом при диэлектрической проницаемости материала равной 4 составляет 0.88 мм. Модель для расчета представлена на рисунке 4.
Рис. 4 Модель для расчета
Ниже показан (рис. 5) результат расчета.
Рис. 5 S11 и S21 для линии с волновым сопротивлением 50 Ом без отверстия
Коэффициент S11 у трассы на всем частотном диапазоне не превышает -25 дБ, а S21 2 дБ на частоте 10 ГГц.
Проведем подобный расчет для проводника с отверстием. Пусть 20 мм линии с волновым сопротивлением в 50 Ом располагается на первом слое, а оставшиеся 20 мм на третьем. Модель представлена на рисунке 6.
Рис. 6 Линия передачи с отверстием
Коэффициенты S11 и S21 для линии передачи с межслойным переходом будут сопоставимы для линии без отверстия только в том случае, если импеданс перехода примет значение 50 Ом.
Отверстие, как неоднородность, можно представить в двух вариантах. Первый, единое целое, состоящие из отверстия и двух частей проводника без опорного слоя или с опорным (зависит от размера антипада) (рис. 7).
Рис. 7 Модель переходного отверстия
Второй, сумма неоднородностей, образованных непосредственно переходным отверстием и двумя частями проводника. При этом, если под частями трассы отсутствует опорный слой, то ее импеданс в этом месте будет выше 50 Ом. Соответственно, для согласования всей неоднородности волновое сопротивление самого межслойного перехода должно быть меньше 50 Ом.
Рассмотрим случай, когда антипад равен размеру площадки отверстия. Такое исполнение межслойного перехода позволит сохранить полигон целым под всей трассой. Пусть диаметр отверстия составляет 0.6 мм, а площадки 1.0 мм. Площадка на втором слое отсутствует. Данный переход можно встретить достаточно часто в проектах печатных плат. Результат расчета показан на рисунке 8.
Рис. 8 Коэффициенты S11 и S21 для линии с отверстием диаметром 0.6 мм и площадкой 1.0 мм
Из графика видно, что с увеличением частоты S11 возрастает и на 10 ГГц составляет -15 дБ. S21 на максимальной частоте имеет значение около 4 дБ. Результат значительно отличается от линии передачи без отверстия.
Теперь оценим емкость и волновое сопротивление данного межслойного перехода. Сделаем это в модуле Q3D Extractor программы Ansys [4]. Модель для расчета представлена на рисунке 9.
Рис. 9 Модель для расчета емкости переходного отверстия
Емкость данного перехода составляет 346 фФ, а импеданс 16 Ом. Линия передачи не согласована, поэтому результат так отличается от первого расчета.
Уменьшим переходное отверстие. Пусть диаметр составляет 0.3 мм, площадка 0.85 мм и присутствует только на первом и третьем слое. В этом случае емкость будет 254 фФ, а импеданс 21 Ом. Коэффициенты S11 и S21 в зависимости от частоты для этого случая показаны на рисунке 10.
Рис. 10 Результат расчета S11 и S21 для линии с переходным отверстием диаметром 0.3 мм и площадкой 0.85 мм.
Коэффициент S11 растет с увеличением частоты и при 10 ГГц составляет -23 дБ, S21 около 2.5 дБ. В сравнении с первым случаем, результат улучшился, так как увеличился импеданс неоднородности. Надо отметить, что дальнейшее повышение волнового сопротивления, при условии равенства размера антипада площадке, практически невозможно. Поэтому рассмотрим следующий случай.
Пусть диаметр отверстия составляет 0.6 мм, площадка 0.85 мм, антипад 1.5 мм. Площадка на втором слое у отверстия отсутствует. Рассчитаем емкость и волновое сопротивление модели (рис. 11).
Рис. 11 Переходное отверстие с частями проводника
Данная конструкция отличается от представленной на рисунке 9. Она включает в себя две части проводника, расположенные под антипадом. Емкость такой конструкции 297 сФ, импеданс 45 Ом. При этом импеданс только переходного отверстия составляет 25 Ом. Ниже показаны коэффициенты S11 и S21 (рис. 12).
Рис. 12 Коэффициенты S11 и S21 для линии с отверстием диаметром 0.6 мм, площадкой 0.85 мм и антипадом 1.5 мм
Результат близок к линии передачи без отверстия, если не учитывать резонансных явлений, так как трасса получилась практически согласованной. S11 на всем частотном диапазоне не превышает -22 дБ, а на максимальной частоте составляет -42 дБ. Коэффициент S21 не более 2.5 дБ. В таблице 1 представлены результаты расчета для всех трех случаев.
Проведенный анализ показывает, что при проектировании высокочастотных устройств возникает необходимость рассчитывать, контролировать и управлять первичными параметрами межслойного перехода. Логично, если все вышеперечисленные операции будут выполняться в САПР печатных плат. В настоящее время данный функционал доступен в Delta Design. В инструменте SimPCB присутствует возможность расчета первичных и вторичных электрических параметров отверстия для двухслойной печатной платы. Анализ и управление топологическими примитивами, в том числе и межслойными переходами, приводит к снижению количества ошибок и повышению качества проектируемого изделия.
Список литературы
Методы расчета волнового сопротивления линий передач на печатных платах / В.А. Ухин, Д.С. Коломенский, В.С. Кухарук, О.В. Смирнова. — Современная электроника, №9/2023. — 40 стр.
Сравнение результатов расчетов волнового сопротивления линий передач на печатных платах. / В.С. Кухарук, Д.С. Коломенский, В.А. Ухин, О.В. Смирнова. — Современная электроника, №9/2023. — 43 стр.
Ansys. HFSS 3D Layout Help.
Ansys. Q3D Extractor Help.
