Optimización de diafonía en líneas microstrip paralelas en PCB: Estrategias de diseño basadas en simulación

Teoría de diafonía

Basada en teoría electromagnética, la diafonía se refiere al desacoplamiento electromagnético entre dos líneas de señal. Es un tipo de ruido causado por capacitancia mutua e impedancia mutua entre líneas.

En la Figura 1, entre dos líneas paralelas, una tiene fuente de señal (V_S) e impedancia interna (Z_OG) en un extremo e impedancia de carga (Z_LG) en el otro, formando bucle cerrado a través de tierra. La otra solo tiene resistencias (Z_OR y Z_LR) con estructura de hilo único a tierra. La línea con fuente se llama línea de emisión o interferencia; la otra, línea de recepción o interferida.

Cuando señal de excitación (1) pasa por línea de emisión, se genera señal de interferencia con direcciones contrarias por capacitancia parásita entre líneas. Mientras pasa, la señal genera campo magnético variable que induce corriente de interferencia con dirección contraria al cruzar línea de recepción. Las corrientes (2) y (3) son señales de diafonía desacopladas de emisión a recepción por la señal de excitación. Así se genera diafonía.

La diafonía se clasifica en capacitiva e inductiva según causas. Capacitiva: voltaje desacoplado por capacitancia mutua; inductiva: corriente desacoplada por inductancia mutua.

Según lugares, se clasifica en diafonía de extremo cercano y lejano. En Figura 1, extremo cercano es interferencia en extremo cercano de recepción, sumando capacitiva (3) e inductiva (2). Extremo lejano es interferencia en extremo lejano, restando capacitiva (3) e inductiva (2).

La diafonía se genera entre dos conductores por desacoplamiento electromagnético. El análisis calcula voltaje de interferencia de señal de excitación a ambos lados de recepción con señal dada. V_R(0) es voltaje en recepción cuando X=0; V_R(L) cuando X=L. Se obtienen dos fórmulas:

Modelo de simulación de análisis de diafonía entre dos líneas microstrip paralelas

En este artículo, el PCB usado en simulación mide 20×60 mm (ancho×largo) con sustrato FR-4 de fibra de vidrio epoxi, constante dieléctrica 4,7. Figura 2 muestra vista seccional.

En Figura 2, capa superior es plano de tendido (microstrip), inferior plano de imagen. Microstrip es conductor ideal, plano imagen plano conductor ideal. Parámetros: L=40 mm, W=0,5 mm, H=0,3 mm. Según fórmula de impedancia característica microstrip (), la impedancia es 50 Ω.

Nota: 0,38 mm < W < 0,64 mm; T es grosor de microstrip.

En Figura 3, primer puerto (P1) de emisión es puerto de fuente. Cada puerto de emisión y recepción conectado por impedancia característica (50 Ω), así la señal de diafonía se absorbe en extremos cercano y lejano y no retorna. Dos microstrips forman red de 4 puertos cuyos parámetros S13 y S14 se calculan: , . TR₀ es diafonía de emisión a extremo cercano; TR_L a extremo lejano.

Resultado de simulación y discusión

• Intensidad de diafonía con cambio de frecuencia

Señales ordinarias resultan de suma de ondas seno de diferentes frecuencias y amplitudes, por lo que es significativo estudiar cómo cambia la diafonía de dos microstrips con frecuencia de una onda seno.

Para reflejar mejor las reglas, Figura 4 obtiene distancia de tendido (D) 1 mm y 3 mm, mostrando cambio de diafonía con frecuencia.

Se concluye: en rango baja frecuencia, intensidad tiene relación lineal con frecuencia, tanto extremo cercano como lejano. En alta frecuencia, diafonía extremo cercano (S₁₃) muestra vibración periódica fuerte al aumentar frecuencia, mientras extremo lejano se comporta contrariamente. Esto depende de distancias diferentes entre diafonía capacitiva/inductiva y extremos. En baja frecuencia, fases son similares y fase relativa tiene poca influencia. En alta frecuencia, bajo diferentes frecuencias, fases tienen grandes diferenciales y la extensión de señal integrada cambia periódicamente con cambio de fase, llevando a vibración periódica obvia.

• Intensidad de diafonía con cambio de distancia de tendido

Cuando L=40 mm, H=0,3 mm, frecuencia 2 GHz y 5 GHz, resultado de intensidad con cambio de distancia en Figura 5.

Ambas diafonías disminuyen al aumentar distancia. Cuando distancia aumenta desde 1 mm, diafonía cae rápido pero se vuelve lenta con mayor distancia. Obviamente, cuando distancia >3×ancho, diafonía no mejora al aumentar distancia. Porque cuando líneas están muy cerca, capacitancia e inductancia mutuas se vuelven prominentes y diafonía sube sustancialmente.

• Intensidad de diafonía con cambio de longitud de tendido

Cuando D=2,0 mm, H=0,3 mm, frecuencia 1 GHz y 5 GHz, resultado en Figura 6.

Según Figura 6, a 1 GHz, intensidad de ambas diafonías aumenta con extensión de longitud paralela. A 5 GHz, extremo cercano aumenta con extensión, extremo lejano vibra. Porque longitud eléctrica es mayor a 5 GHz que a 1 GHz y fases de diafonía capacitiva/inductiva son sustancialmente diferenciales en puerto lejano.

• Intensidad de diafonía con cambio de distancia entre microstrip y plano imagen

Para mantener impedancia característica 50 Ω, W/H debe ser 1,82. En simulación, ratio ancho/altura se mantiene 1,82.

a. L=40 mm, distancia bordes 1,0 mm, frecuencia 2 GHz y 5 GHz, intensidad con cambio de grosor plano imagen en Figura 7.

Según Figura 7, intensidad aumenta con extensión de distancia, especialmente 0-0,4 mm sube rápido y se ralentiza con extensión continua. Cuando H>0,5 mm, intensidad básicamente constante. Porque cuando microstrip está muy cerca de plano imagen, desacoplamiento tendido-plano es integrado y entre tendidos es pequeño. Al aumentar distancia, desacoplamiento tendido-plano se debilita y entre tendidos sube. Pero con aumento continuo, desacoplamiento tendido-plano se vuelve tan débil que tiene poca influencia. Según análisis, distancia entre línea de transmisión y plano imagen debe reducirse lo máximo posible para disminuir diafonía.

b. L=40 mm, distancia entre líneas 2×ancho, frecuencia 2 GHz y 5 GHz, intensidad en Figura 8.

Según Figura 8, intensidad cambia poco con distancia múltiplo estable de ancho.

Comparando ambas circunstancias, se concluye: al aumentar distancia microstrip-plano imagen, si distancia entre líneas permanece invariable, intensidad se magnifica; si distancia es múltiplo estable de ancho, intensidad casi no cambia.

Estrategias de diseño PCB

Según análisis, estrategias para disminuir diafonía entre líneas de transmisión:

a. Para PCB digitales alta velocidad, elegir componentes con flanco subida/bajada lento para reducir frecuencia.
b. Evitar layout paralelo de larga distancia.
c. Aumentar distancia entre líneas.
d. Usar diseño PCB multicapa para reducir altura entre línea y plano imagen. Si deben usarse PCB con plano imagen más alto, aumentar distancia entre líneas.

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