Optimización de la línea de alimentación de RF en el diseño de PCB

Nota del editor:el diseño inalámbrico puede obstaculizar los mejores planes para el desarrollo de dispositivos conectados. En particular, una línea de alimentación de antena diseñada incorrectamente puede ser difícil de descubrir hasta tarde en el desarrollo durante las pruebas. Aquí hay una muestra de un buen artículo de nuestros amigos de EEWeb, que ofrece una mirada en profundidad a un enfoque utilizado para mejorar el diseño de una línea de alimentación de RF de guía de ondas coplanar conectada a tierra necesaria para mejorar el rendimiento de Wi-Fi.

Recientemente, se solicitó al Grupo de Integridad de la Señal de Arira Design que rediseñara una línea de alimentación de RF de guía de ondas coplanar con conexión a tierra de 5 GHz existente para mejorar el rendimiento de un subsistema Wi-Fi en la placa del cliente. Las mediciones mostraron que la impedancia de la línea de alimentación era de aproximadamente 38 ohmios.

Antes de la simulación, se descubrieron varios problemas con el diseño original, que incluyen:

• No tener en cuenta los efectos de la máscara de soldadura en la impedancia de la traza

• No se tuvo en cuenta el grabado de PCB en el cálculo de la impedancia de la traza

• Recorte incorrecto en un plano de tierra cercano que no sea de referencia

Se simuló la línea de alimentación existente, después de lo cual se mejoró la geometría coplanar basada en los resultados de la simulación para cumplir con el requisito de impedancia de 50 ohmios. Como resultado, el cliente informó un rendimiento de Wi-Fi muy mejorado con la nueva PCB.

Este artículo analiza la geometría coplanar del diseño inicial de PCB, los efectos de los tres elementos mencionados anteriormente y la geometría coplanar final. Los diagramas de E-Field se muestran para diferentes configuraciones coplanares para ilustrar el acoplamiento intencional y no intencional que puede ocurrir con diseños coplanares con conexión a tierra (se supone que el lector está familiarizado con la estructura básica de las guías de onda coplanar, o CPW, y las guías de onda coplanar con conexión a tierra, o GCPW).

Guías de ondas coplanares conectadas a tierra

Las guías de onda coplanarias conectadas a tierra son cada vez más frecuentes en los diseños de PCB debido a la omnipresencia de la integración de Wi-Fi y Bluetooth en las placas de circuito modernas. Algunas de las ventajas de GCPW sobre las líneas de transmisión de microbanda tradicionales son las siguientes:

• Menor pérdida:más líneas de campo E viajan a través del aire en lugar de fluir a través del material de PCB con pérdida. Esto puede permitir el uso de FR-4 menos costoso para diseños de PCB que operan a 5 GHz.

• Aislamiento:las líneas GCPW ofrecen más aislamiento en comparación con microstrip porque las líneas de campo están más limitadas.

• Geometría flexible:La impedancia de GCPW está controlada principalmente por el espacio entre la traza y la estructura de tierra coplanar. Esto permite una mayor flexibilidad en los anchos de las trazas en comparación con las líneas de transmisión de microcinta.

• Menor pérdida de rugosidad de la superficie de cobre:​​la corriente en las líneas de microbanda tiende a concentrarse en la parte inferior de la traza, que es donde el cobre es más áspero (para promover la adhesión al dieléctrico). Las líneas de transmisión de GCPW diseñadas correctamente tienden a concentrar la corriente en los bordes de la traza, donde la superficie es más suave.

• Colocación superior de componentes coincidentes:la mayoría de las líneas de alimentación de RF Bluetooth o Wi-Fi requieren componentes coincidentes en serie y / o en paralelo. Debido a que el GCPW tiene el suelo inmediatamente adyacente a la traza, los componentes paralelos se pueden montar directamente entre la traza y el suelo coplanar, lo que elimina los parásitos asociados con las vías.

Hay muchas herramientas disponibles para calcular la impedancia de las estructuras de GCPW, pero las herramientas gratuitas que están disponibles en Internet suelen tener restricciones sobre los tipos de estructuras que se pueden analizar. Las estructuras básicas generalmente se pueden calcular, pero los efectos de estructuras casi de cobre generalmente necesitan simulación EM para modelarlas correctamente.