เกิดอะไรขึ้นกับท่อนำคลื่น Coplanar ที่มีสายดิน 50 อันของฉัน

ฉันทำงานเกี่ยวกับการออกแบบ 4 ชั้นที่สร้างขึ้นรอบ ๆ EFR32BG13 Bluetooth Low Energy SoC ในขณะที่พยายามวัดความต้านทานของเสาอากาศเพื่อสร้างวงจรการจับคู่ฉันค้นพบว่าสายส่ง coplanar waveguide (GCPW) ที่มีสายดินสั้น ๆ ของฉันทำหน้าที่คล้ายกับเสาอากาศมากกว่าสายส่ง

เพื่อทำให้สาเหตุของปัญหาแคบลงฉันได้สร้างบอร์ดทดสอบสายส่ง 4 ชั้นแบบง่าย ๆ ซึ่งเป็นภาพที่นี่:

กระดานเป็นสี่เหลี่ยม 100 มม. ฉันมีบอร์ดเหล่านี้ประดิษฐ์โดย ALLPCB ซึ่งระบุทองแดง 35 ไมโครเมตรในทุกชั้นและ 0.175 มม. อิเล็กทริก (ค่าคงที่ไดอิเล็กทริก 4.29) ระหว่างสองชั้นแรก เมื่อใช้ AppCAD ฉันพบว่าการออกแบบที่มีความกว้างของการติดตาม 0.35 มม. และช่องว่าง 0.25 มม. ทำให้ได้ความต้านทาน 48.5 Ω ชั้นบนสุดของกระดานจะแสดงเป็นสีแดงด้านบน อีกสามชั้นเป็นระนาบกราวด์ที่มีลักษณะดังนี้:

ฉันได้รับบอร์ดวันนี้และเริ่มโดยการทดสอบ S21 สำหรับส่วนที่สองจากด้านล่าง - ชิ้นส่วนของ GCPW ที่ตรงกับขั้วต่อ SMA ที่ปลายทั้งสอง ฉันใช้ HP 8753C / HP 85047A ที่มีความยาว coax สั้น ๆ เชื่อมต่อกับพอร์ต 1 และ 2 และบอร์ดทดสอบเชื่อมต่อระหว่างความยาวของ coax ทำให้ฉันประหลาดใจมากนี่คือสิ่งที่ฉันเห็น:

ที่ 2.45 GHz สายส่งของฉันมีการตอบสนอง -10 dB หากฉันเปลี่ยนบอร์ดเป็นตัวเชื่อมต่อ "ถึง" ฉันจะเห็นสิ่งที่ฉันคาดหวัง:

ฉันค่อนข้างจะสูญเสียเพราะฉันคิดว่าการทดสอบครั้งแรกจะเป็นสแลมดังค์และฉันจะเริ่มค้นหาปัญหาด้วยการทดสอบที่ซับซ้อนกว่านี้ ฉันมี VNA และความปรารถนาอันแรงกล้าที่จะเรียนรู้สิ่งที่ฉันทำผิดที่นี่ คุณเห็นปัญหาเกี่ยวกับวิธีการทดสอบของฉันหรือด้วยการออกแบบ GCPW เองได้หรือไม่ ความช่วยเหลือใด ๆ ที่จะได้รับการชื่นชมอย่างมาก!

แก้ไข:ตามที่ Neil_UK แนะนำฉันได้ลบเทอร์มัลในหนึ่งบอร์ดโดยทำการขูดหน้ากากประสานออกจากนั้นเชื่อมช่องว่างด้วยบัดกรี การวัด S11 และ S21 ด้วยการกำหนดค่านี้จะให้ผลลัพธ์ดังต่อไปนี้:

การเปรียบเทียบพล็อต S21 กับผลลัพธ์ก่อนหน้าดูเหมือนจะไม่มีความแตกต่างที่สังเกตได้

แก้ไข 2:ตามคำแนะนำของ mkeith ฉันได้แบ่งหนึ่งใน "แถบ" ของกระดานทดสอบของฉันออกจากส่วนที่เหลือโดยใช้วิธี "คะแนนและการทำลาย" แบบเก่า บอร์ดที่ฉันเลือกแตกออกเป็นบอร์ดเดียวกับที่ฉันลบเทอร์มอลดังนั้นผลนี้จึงเป็นการดัดแปลงเพิ่มเติมในพล็อตก่อนหน้า นี่มันคือ:

มีร่องลึกลงไปในพล็อต S11 แต่ไม่มีการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในการทำงานของคณะกรรมการเป็นสายส่ง

แก้ไข 3:นี่คือภาพของบอร์ดในศูนย์รวมล่าสุด:

แก้ไข 4:ภาพระยะใกล้ของทั้งสองด้านของขั้วต่อ SMA หนึ่งอัน:

ขั้วต่อ SMA คือ Molex 0732511150 PCB ที่ดินทำตามคำแนะนำในแผ่นข้อมูลที่นี่:

http://www.molex.com/pdm_docs/sd/732511150_sd.pdf

แก้ไข 5:นี่คือหน้าตัดของบอร์ดใกล้กับขอบหนึ่ง:

เส้นสีเขียวถูกปรับขนาดจากข้อกำหนดของผู้ผลิตซึ่งคัดลอกมาที่นี่:

แก้ไข 6:นี่คือภาพจากบนลงล่างของกระดานที่มีเส้นสีแดงแสดงขนาดที่คาดหวัง:

แก้ไข 7:เพื่อตรวจสอบผลกระทบของจุดศูนย์กลาง SMA ขนาดใหญ่ฉันแกะสลักแผ่นกลางบนบอร์ดเดียวเพื่อให้มีความกว้างเท่ากับส่วนที่เหลือของร่องรอย จากนั้นฉันใช้เทปทองแดงเพื่อขยายพื้นที่ทั้งสองด้าน:

จากนั้นฉันทดสอบ S11 และ S21 อีกครั้ง:

ดูเหมือนว่าจะมีการปรับปรุง S11 อย่างมีนัยสำคัญซึ่งทำให้ฉันเชื่อว่าในความเป็นจริงแล้วการสร้างพื้นที่ศูนย์กลางขนาดใหญ่ที่ปลายทั้งสองของเส้นทำให้เกิดการสั่นพ้อง

แก้ไข 8:มองหาแนวทางบางอย่างเกี่ยวกับวิธีจัดการการเปลี่ยนจาก SMA เป็น GCPW ฉันเจอบทความนี้:

http://www.mouser.com/pdfdocs/Emerson_WhitePaperHiFreqSMAEndLaunch.pdf

ในขณะที่กระดาษนั้นหมายถึงการใช้วัสดุพิมพ์ที่มีความถี่สูงโดยเฉพาะผมคิดว่าส่วนใหญ่ยังคงใช้งานได้ที่นี่ สองประเด็นหลักที่โดดเด่นสำหรับฉัน:

1. GCPW ควรดำเนินต่อไปจนสุดขอบบอร์ด
2. ตัวเชื่อมต่อ SMA ที่ปลายเปิดความถี่สูงใช้พินกลางที่สั้นกว่าและแคบลงเพื่อลดผลกระทบที่มีต่อ GCPW สิ่งเหล่านี้อาจเหมาะสมกว่าสำหรับแอปพลิเคชันเช่นนี้ด้วยตัวนำที่บางบนสายส่ง

คุณไม่ควรใช้ 'ความร้อน' เมื่อต่อสายดินกับ SMAs แท็บภาคพื้นดินเหล่านั้นควรตรงไปบนระนาบกราวด์ที่ไม่ขาดใหญ่ มันจะไม่ได้ยากกว่าการบัดกรี SMA จำนวนมากจะต้องร้อนขึ้นดังนั้นจึงไม่จำเป็นต้องมีตัวเหนี่ยวนำสามตัวพิมพ์เหล่านี้ในพื้นดินของ SMA แต่ละตัว

หากคุณดูระลอกคลื่นบนพล็อต S21 ของคุณระลอกที่เกิดขึ้นซ้ำนั้นสอดคล้องกับการมีจุดจับคู่ที่ไม่ดีเว้นระยะห่างตามความกว้างกระดานของคุณ นั่นอาจไม่ใช่เรื่องราวทั้งหมด แต่สังคายนาปัญหาที่ชัดเจนนี้ก่อนที่จะค้นหารายละเอียดที่ลึกซึ้งยิ่งขึ้น

คุณไม่จำเป็นต้องให้เหล็กไหลใหม่อีกต่อไปคุณสามารถขูดออกต้านทานและเชื่อมสะพานบาดแผลด้วยการบัดกรีเป็นวิธีแก้ไขอย่างรวดเร็ว แก้ไขโพสต์ของคุณและเพิ่มการวัดใหม่เมื่อคุณทำเสร็จแล้ว BTW, S11 มักจะเป็นการวัดที่ละเอียดอ่อนมากขึ้นในการทำผ่าน 'คาดหวังดี' ผ่าน S21 แม้ว่าฉันจะเห็นด้วย S21 นี้ค่อนข้างแย่

วัสดุกระดาน (ไม่ใช่รายละเอียดที่ไม่สำคัญ) คืออะไร

(แก้ไข)

ดังนั้นมันไม่ใช่ความร้อนเราอยู่ที่ 3GHz เท่านั้นฉันคิดว่า

บรรทัดนั้นคำนวณอย่างถูกต้องหรือไม่? ด้วยขนาดเหล่านั้นเครื่องคิดเลขนี้ให้ 48.93 แต่เห็นได้ชัดว่าใช้ความหนาเป็นศูนย์ทองแดง อันนี้ให้ 47.42 กับทองแดง 35um และเห็นด้วยกับอื่น ๆ สำหรับความหนาเป็นศูนย์ดังนั้นการออกแบบดูน่าเชื่อถือ ความแตกต่างเหล่านั้นจากสิ่งที่คุณคิดว่าไม่เพียงพอที่จะอธิบายการวัด

บอร์ดผลิตขึ้นอย่างถูกต้องหรือไม่?

$\varepsilon_r$

การวัดค่าความจุบนชิ้นส่วนของแผ่นไม้ที่ถูกตัดออกจากบอร์ดทดสอบของคุณห่างจากจุดเย็บบนพื้นดินจะทำให้คุณมีความหนาและค่าคงที่ไดอิเล็กตริก การวัดความยาวทางไฟฟ้าของชิ้นทดสอบจะให้ค่าคงที่ไดอิเล็กตริกเป็นหลักโดยมีส่วนช่วยเล็ก ๆ จากรูปทรงเรขาคณิต

มันจะไม่สำคัญสำหรับคุณที่จะสร้างแบบจำลองความยาวของสายส่งและปรับความยาวความต้านทานและการสูญเสียจนกว่า S11 และ S21 จำลองจะจับคู่การวัดของคุณคุณอาจขอให้ผู้ปรับแต่งของคุณทำเช่นนั้นโดยอัตโนมัติ นั่นเป็นแบบจำลองที่เป็นไปได้สำหรับผลลัพธ์ของคุณหรือไม่

ฉันก็สังเกตเห็นแท็บสัญญาณของคุณที่ตัวเชื่อมต่อนั้นกว้างมากซึ่งจะสร้างความยาวสั้น ๆ ของสายอิมพีแดนซ์ต่ำมากที่ตัวเชื่อมต่อแต่ละตัวแม้ว่าที่ความยาวนี้การสร้างแบบจำลองเป็น C ที่มีจำนวนคงที่จะเพียงพอ เพิ่ม Cs สองก้อนให้กับแบบจำลองของคุณและลองปรับให้เหมาะสมกับแบบจำลองเหล่านั้นกับผลลัพธ์ของคุณ โพสต์การขยายพื้นที่อินเทอร์เฟซตัวเชื่อมต่อเพื่อให้เราสามารถเห็นสิ่งที่เกิดขึ้นที่นั่น

(/ แก้ไข)

ฉันคิดว่าคุณตีความแผ่นข้อมูลผิดหรือคุณไม่ได้คำนึงถึงความจริงที่ว่าคุณมี 4 เลเยอร์และกราวด์อยู่ที่เลเยอร์บนสุดเช่นกันคำแนะนำการออกแบบไม่ได้เรียกสิ่งนั้นด้วยเลย์เอาต์นี้

มันบอกว่า "ทองแดงด้านล่าง (พื้น) ด้าน"

นี่คือวิธีที่ฉัน interprete แผ่นข้อมูล;

ความกว้างของแผ่นกลางได้รับการออกแบบให้มีการจับคู่ที่ดี / มีอิมพิแดนซ์ใกล้เคียงกับ 50ohm เมื่อคุณมีบอร์ดแบบซ้อนสองชั้นหนา 1.57 มม. (ไม่ใช่ 4 เลเยอร์) ที่มีระนาบกราวด์ที่ด้านล่างเท่านั้น ทำไมถ้าคุณดูแทร็กที่ห่างออกไปจากเทอร์มินัลมันยิ่งกว้างขึ้นนั่นเป็นเพราะบอร์ด 1.6 มม. ที่มีพื้นด้านล่างเพียงคุณเท่านั้นที่ต้องมีแทร็กที่กว้างมากเพื่อรับอิมพิแดนซ์ 50ohm

หากคุณยังไม่ได้ถอดทองแดงบนชั้นทองแดงสองชั้นด้านล่างตรงกลางของแผ่นกลางคุณก็จะย้ายระนาบกราวน์ที่อยู่ใกล้มากเกินกว่าที่จะมาจากรายละเอียดการออกแบบ และเพราะคุณมีพื้นดินบนระนาบบนและคุณเปลี่ยนอิมพีแดนซ์จากสิ่งนั้นด้วย ระยะห่างระหว่างจุดกึ่งกลางและแผ่นพื้นที่ระบุในแผ่นข้อมูลไม่ควรเติมด้วยระนาบพื้น