Optimaliseren van de RF-feedline in PCB-ontwerp

Noot van de redactie:draadloos ontwerp kan de beste plannen voor de ontwikkeling van verbonden apparaten in de weg staan. Met name een onjuist ontworpen antennetoevoerleiding kan tijdens het testen pas laat in de ontwikkeling worden ontdekt. Hier is een voorproefje van een leuk artikel van onze vrienden bij EEWeb, waarin we dieper ingaan op een benadering die wordt gebruikt om het ontwerp van een geaarde coplanaire golfgeleider RF-feedline te verbeteren die nodig is om de wifi-prestaties te verbeteren.

Onlangs werd de Signal Integrity Group van Arira Design gevraagd om een ​​bestaande 5GHz geaarde coplanaire golfgeleider RF-feedline opnieuw te ontwerpen om de prestaties van een wifi-subsysteem op het bord van de klant te verbeteren. Metingen toonden aan dat de impedantie van de voedingslijnimpedantie ongeveer 38 ohm was.

Voorafgaand aan de simulatie werden verschillende problemen ontdekt met het oorspronkelijke ontwerp, waaronder:

• Geen rekening gehouden met de effecten van het soldeermasker op de spoorimpedantie

• Er is geen rekening gehouden met PCB-etchback in de trace-impedantieberekening

• Onjuiste uitsnede in een nabijgelegen niet-referentie grondvlak

De bestaande voedingslijn werd gesimuleerd, waarna de coplanaire geometrie werd verbeterd op basis van de simulatieresultaten om te voldoen aan de impedantie-eis van 50 ohm. Als gevolg hiervan rapporteerde de klant sterk verbeterde wifi-prestaties met de nieuwe PCB.

Dit artikel bespreekt de coplanaire geometrie van het oorspronkelijke PCB-ontwerp, de effecten van de drie hierboven genoemde items en de uiteindelijke coplanaire geometrie. E-Field-grafieken worden getoond voor verschillende coplanaire configuraties om de opzettelijke en onopzettelijke koppeling te illustreren die kan optreden bij geaarde coplanaire ontwerpen (aangenomen wordt dat de lezer bekend is met de basisstructuur van coplanaire golfgeleiders, of CPW's, en geaarde coplanaire golfgeleiders, of GCPW's).

Geaarde coplanaire golfgeleiders

Geaarde coplanaire golfgeleiders komen steeds vaker voor in PCB-ontwerpen vanwege de alomtegenwoordigheid van Wi-Fi- en Bluetooth-integratie op moderne printplaten. Enkele voordelen van GCPW ten opzichte van traditionele microstrip-transmissielijnen zijn als volgt:

• Minder verlies:er gaan meer E‐field-lijnen door de lucht in plaats van door het lossy PCB-materiaal te stromen. Dit kan het gebruik van goedkopere FR‐4 mogelijk maken voor PCB-ontwerpen die werken op 5GHz.

• Isolatie:GCPW-lijnen bieden meer isolatie in vergelijking met microstrip omdat de veldlijnen strakker zijn opgesloten.

• Flexibele geometrie:de GCPW-impedantie wordt voornamelijk bepaald door de opening tussen het spoor en de coplanaire grondstructuur. Dit zorgt voor meer flexibiliteit in spoorbreedtes in vergelijking met microstrip-transmissielijnen.

• lager verlies van ruwheid van koperoppervlak:de stroom in microstriplijnen heeft de neiging zich te concentreren langs de onderkant van het spoor, waar het koper het ruwst is (om de hechting aan het diëlektricum te bevorderen). Goed ontworpen GCPW-transmissielijnen hebben de neiging om de stroom te concentreren op de randen van het spoor, waar het oppervlak gladder is.

• Superieure plaatsing van overeenkomende componenten:de meeste Bluetooth- of Wi-Fi RF-feedlines vereisen serie- en/of parallelle overeenkomende componenten. Omdat de GCPW de grond direct naast het spoor heeft, kunnen de parallelle componenten direct tussen het spoor en de coplanaire grond worden gemonteerd, waardoor de parasieten die met de via's worden geassocieerd, worden geëlimineerd.

Er zijn veel tools beschikbaar om de impedantie van GCPW-structuren te berekenen, maar de gratis tools die op internet beschikbaar zijn, hebben doorgaans beperkingen op de soorten structuren die kunnen worden geanalyseerd. Basisstructuren kunnen meestal worden berekend, maar de effecten van bijna koperen structuren hebben meestal EM-simulatie nodig om ze correct te modelleren.