Geerdete Coplanar-Waveguide-RF-Feedlines für bessere Wi-Fi-Performance optimieren

Hinweis der Redaktion: Wireless-PCB-Design kann selbst die besten Pläne vereiteln, wenn die RF-Feedline nicht korrekt ausgelegt ist. Dieser Artikel, adaptiert von EEWeb, zeigt, wie Ariras Signal-Integrity-Gruppe eine 5-GHz-geerdete Coplanar-Waveguide (GCPW) mit ca. 38 Ω Impedanz – weit unter dem Zielwert von 50 Ω – angegangen ist.

Bei einem aktuellen Projekt wurde das Team gebeten, eine bestehende 5-GHz-GCPW mit einer Impedanz von rund 38 Ω neu zu designen, weit unter dem Zielwert von 50 Ω. Erste Messungen deckten eine Reihe von Design-Übersehen auf, die leicht bis spät in die Entwicklung unbemerkt bleiben können.

• Unzureichende Berücksichtigung des dielektrischen Effekts des Lötstopplacks auf die Leiterbahn-Impedanz.
• Vernachlässigung des PCB-Ätzrückzugs in der Impedanzberechnung.
• Falscher Ausschnitt in einer benachbarten Nicht-Referenz-Groundplane.

Nach einer gründlichen Simulationsüberprüfung wurde die Coplanar-Geometrie verfeinert, um die 50-Ω-Anforderung zu erfüllen. Die aktualisierte PCB lieferte eine messbare Verbesserung von Wi-Fi-Durchsatz und -Zuverlässigkeit, wie vom Kunden bestätigt.

Der Artikel behandelt die ursprüngliche Geometrie, die Auswirkungen der drei Designfehler und das finale optimierte Layout. E-Feld-Plots veranschaulichen sowohl beabsichtigte als auch unbeabsichtigte Kopplung in geerdeten Coplanar-Designs. Leser sollten mit grundlegenden CPW- und GCPW-Konzepten vertraut sein.

Geerdete Coplanar Waveguides (GCPW)

GCPWs werden für Wi-Fi- und Bluetooth-Integration auf modernen Boards zunehmend populär. Im Vergleich zu klassischem Microstrip bieten sie mehrere überzeugende Vorteile:

• Geringere Verluste: Mehr des elektrischen Felds breitet sich durch Luft statt durch das verlustbehaftete FR-4-Substrat aus, was kosteneffektive Boards bei 5 GHz ermöglicht.
• Überlegene Isolation: Stärkere Feldkonfinierung reduziert Crosstalk mit benachbarten Leiterbahnen.
• Design-Flexibilität: Die Impedanz wird primär durch den Abstand zwischen Signalleiterbahn und angrenzendem Ground bestimmt, was breitere Leiterbahnen ohne Performance-Einbußen erlaubt.
• Reduzierte Verluste durch Kupfer-Oberflächenrauheit: Strom konzentriert sich an den Leiterbahnkanten, wo die Kupferoberfläche glatter ist, im Gegensatz zu Microstrip, wo der Strom auf der raueren Unterseite fließt.
• Effiziente Platzierung von Anpassungsbauteilen: Die Nähe der Groundplane erlaubt, Serien-/Parallel-Anpassungsbauteile direkt zwischen Leiterbahn und coplanarem Ground zu montieren, was parasitäre Via-Effekte eliminiert.

Während diverse kostenlose Rechner zur GCPW-Impedanzschätzung existieren, können sie oft komplexe Kupfergeometrien oder benachbarte Strukturen nicht abbilden. Für präzises Design bleibt elektromagnetische Simulation unverzichtbar.