Optimierung der HF-Zuleitung im PCB-Design

Anmerkung der Redaktion:Drahtloses Design kann die besten Pläne für die Entwicklung vernetzter Geräte zunichte machen. Insbesondere eine falsch ausgelegte Antennenzuleitung kann während des Tests erst spät in der Entwicklungsphase schwer zu entdecken sein. Hier ist ein Vorgeschmack auf einen netten Artikel von unseren Freunden bei EEWeb, der einen detaillierten Einblick in einen Ansatz bietet, der verwendet wird, um das Design einer geerdeten koplanaren Wellenleiter-HF-Zuleitung zu verbessern, die zur Verbesserung der WLAN-Leistung erforderlich ist.

Vor kurzem wurde die Signal Integrity Group von Arira Design gebeten, eine bestehende 5 GHz geerdete koplanare Wellenleiter-HF-Zuleitung neu zu entwerfen, um die Leistung eines Wi-Fi-Subsystems auf der Platine des Kunden zu verbessern. Messungen zeigten, dass die Impedanz der Speiseleitungsimpedanz ungefähr 38 Ohm betrug.

Vor der Simulation wurden mehrere Probleme mit dem ursprünglichen Design aufgedeckt, darunter:

• Die Auswirkungen der Lötstoppmaske auf die Leiterbahnimpedanz werden nicht berücksichtigt

• Fehler bei der Berücksichtigung von PCB-Etchback in der Leiterbahnimpedanzberechnung

• Falscher Ausschnitt in einer nahegelegenen Nicht‐Referenzmasse

Die bestehende Speiseleitung wurde simuliert, woraufhin die koplanare Geometrie basierend auf den Simulationsergebnissen verbessert wurde, um die Impedanzanforderung von 50 Ohm zu erfüllen. Als Ergebnis berichtete der Kunde von einer stark verbesserten WLAN-Leistung mit dem neuen PCB.

In diesem Artikel werden die koplanare Geometrie des anfänglichen PCB-Designs, die Auswirkungen der drei oben genannten Punkte und die endgültige koplanare Geometrie erörtert. E‐Felddiagramme werden für verschiedene koplanare Konfigurationen gezeigt, um die beabsichtigte und unbeabsichtigte Kopplung zu veranschaulichen, die bei geerdeten koplanaren Designs auftreten kann (es wird davon ausgegangen, dass der Leser mit der Grundstruktur von koplanaren Wellenleitern oder CPWs und geerdeten koplanaren Wellenleitern vertraut ist, oder GCPWs).

Geerdete koplanare Wellenleiter

Geerdete koplanare Wellenleiter werden in PCB-Designs aufgrund der weit verbreiteten Wi-Fi- und Bluetooth-Integration auf modernen Leiterplatten immer häufiger verwendet. Einige der Vorteile von GCPW gegenüber herkömmlichen Microstrip-Übertragungsleitungen sind wie folgt:

• Geringerer Verlust:Mehr E-Feldlinien wandern durch die Luft, anstatt durch das verlustbehaftete PCB-Material zu fließen. Dies kann die Verwendung von kostengünstigerem FR-4 für PCB-Designs ermöglichen, die mit 5 GHz arbeiten.

• Isolation:GCPW-Leitungen bieten im Vergleich zu Mikrostreifen mehr Isolation, da die Feldlinien enger begrenzt sind.

• Flexible Geometrie:Die GCPW-Impedanz wird hauptsächlich durch die Lücke zwischen der Leiterbahn und der koplanaren Bodenstruktur gesteuert. Dies ermöglicht mehr Flexibilität bei den Leiterbahnbreiten im Vergleich zu Mikrostreifenübertragungsleitungen.

• Geringerer Kupferoberflächenrauheitsverlust:Der Strom in Mikrostreifenleitungen konzentriert sich tendenziell am unteren Ende der Leiterbahn, wo das Kupfer am rauesten ist (um die Haftung am Dielektrikum zu fördern). Bei richtig ausgelegten GCPW-Übertragungsleitungen konzentriert sich der Strom in der Regel auf die Kanten der Leiterbahn, wo die Oberfläche glatter ist.

• Überlegene Platzierung der passenden Komponenten:Die meisten Bluetooth- oder Wi-Fi-RF-Feedlines erfordern seriell und/oder parallel passende Komponenten. Da die Masse des GCPW direkt neben der Leiterbahn liegt, können die parallelen Komponenten direkt zwischen der Leiterbahn und der koplanaren Masse montiert werden, wodurch die mit den Durchkontaktierungen verbundenen Parasiten eliminiert werden.

Es stehen viele Tools zur Berechnung der Impedanz von GCPW-Strukturen zur Verfügung, aber die kostenlosen Tools, die im Internet verfügbar sind, haben in der Regel Einschränkungen hinsichtlich der zu analysierenden Strukturtypen. Grundstrukturen können normalerweise berechnet werden, aber die Auswirkungen von fast kupferhaltigen Strukturen erfordern normalerweise eine EM-Simulation, um sie korrekt zu modellieren.