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Cómo solucionar el desajuste de impedancia en el campo de la transmisión de señales de alta frecuencia

Fecha de lanzamiento: 2021-12-28Fuente del autor: KinghelmVistas: 1247


En el dominio de alta frecuencia, la señal u onda electromagnética debe propagarse a lo largo de la ruta de transmisión con una impedancia característica uniforme. En caso de discordancia o discontinuidad de impedancia, parte de la señal se refleja de regreso al extremo transmisor y la onda electromagnética restante continuará transmitiéndose al extremo receptor.


El grado de reflexión y atenuación de la señal depende del grado de discontinuidad de la impedancia. Cuando aumenta la amplitud de la impedancia desadaptada, se reflejarán más señales y se observará más atenuación o degradación de la señal en el receptor.
A menudo se encuentra un desajuste de impedancia en las almohadillas SMT de los capacitores de acoplamiento de CA (también conocidos como aislamiento de CC), placa a placa. conectors y cable a placa conectors (como SMA).   
En el caso de la almohadilla SMT del capacitor de acoplamiento de CA que se muestra en la Fig. 1, la señal que se propaga a lo largo de la ruta de la PCB con una impedancia diferencial de 100 Ω y un ancho de lámina de cobre de 5 MIL encontrará una discontinuidad de impedancia al llegar a la almohadilla SMT con una lámina de cobre más ancha (como 30 mil). ancho del paquete 0603). Este fenómeno puede explicarse mediante las ecuaciones (1) y (2).
El aumento del área de la sección transversal o del ancho de la lámina de cobre aumentará la capacitancia de la tira, lo que traerá una discontinuidad de capacitancia a la impedancia característica del canal de transmisión, es decir, una sobretensión negativa.
    
Para minimizar la discontinuidad de la capacitancia, es necesario cortar el área del plano de referencia directamente debajo de la almohadilla SMT y crear un relleno de cobre en la capa interna, como se muestra en las figuras 2 y 3 respectivamente.
Esto puede aumentar la distancia entre la almohadilla SMT y su plano de referencia o ruta de retorno, para reducir la discontinuidad de la capacitancia. Al mismo tiempo, se insertarán vías microcosidas para proporcionar conexiones eléctricas y físicas entre el plano de referencia original y la nueva lámina de cobre de referencia interna para establecer la ruta de retorno de señal correcta y evitar problemas de radiación EMI. 
    

   
Sin embargo, la distancia "d" no debe aumentarse demasiado; de lo contrario, la inductancia de la tira excederá la capacitancia de la tira y provocará una discontinuidad de la inductancia. Dónde:
  • Capacitancia de tira (unidad: PF);      
  • Inductancia de tira (unidad: NH); 
  • Impedancia característica (unidad: Ω);  
  • Ε= Constante dieléctrica; 
  • Ancho de la almohadilla;      
  • Longitud de la almohadilla;      
  • La distancia entre la almohadilla y el plano de referencia inferior;   
  • Grosor de la almohadilla.      
El mismo concepto también se puede aplicar a los pads SMT para placa a placa (B2B) y cable a placa (C2B). conectors. 
La verificación de los conceptos anteriores se completará mediante TDR y análisis de pérdida de inserción. El análisis se completa estableciendo el modelo 3D de la plataforma SMT en el software empro y luego importándolo a anuncios Keyight para TDR y simulación de pérdida de inserción.
1. Se analiza el efecto de almohadilla SMT de la capacitancia de acoplamiento de CA.   
En empro se establece un modelo 3D de SMT con sustrato de pérdida media, en el que un par de trazas diferenciales de microcinta tienen 2 pulgadas de largo y 5 MIL de ancho, adoptan el modo de extremo único y están a 3.5 mil de su plano de referencia. El par de pistas ingresan por un extremo de la almohadilla SMT de 30 mil de ancho y salen por el otro extremo.  


   
La Figura 4 y la Figura 5 muestran los diagramas de TDR y de pérdida de inserción obtenidos por simulación respectivamente.    
La falta de coincidencia de impedancia causada por el diseño SMT sin cortar el plano de referencia es de 12 Ω y la pérdida de inserción es de -6.5 dB a 20 GHz. Una vez que se corta el área del plano de referencia debajo de la almohadilla SMT (donde "d" se establece en 10 mil), la impedancia de desajuste se puede reducir a 2 Ω y la pérdida de inserción a 20 GHz se puede reducir a -3 dB.    
Un aumento adicional de "d" hará que la inductancia de la tira exceda la capacitancia, lo que resultará en una discontinuidad de la inductancia y una pérdida de inserción deficiente (es decir, - 4.5 dB).
2,El efecto de almohadilla SMT de B2B conector se analiza  
Un modelo 3D de la placa SMT de B2B conector se establece en empro, en el que el espaciado de los pasadores de la conector es de 20 mil y el ancho del pin es de 6 mil. La almohadilla está conectada a un par de enrutamiento diferencial de microbanda con una longitud de 5 pulgadas y un ancho de 5 mil, que adopta el modo de un solo extremo y el enrutamiento está a 3.5 mil de distancia de su plano de referencia.
El grosor de la almohadilla SMT es de 40 milésimas de pulgada, incluida conector pines y soldadura, que es casi 40 veces el grosor del cableado de PCB de microbanda.
    
    
El aumento del espesor del cobre provocará una discontinuidad de la capacitancia y una mayor atenuación de la señal. Este fenómeno se puede ver en los diagramas de simulación de pérdida de inserción y TDR que se muestran en las Fig. 6 y 7 respectivamente.    
La discrepancia de impedancia se puede minimizar cortando el área de cobre con un espacio "d" apropiado (es decir, 7 mil) directamente debajo de la almohadilla SMT. 
3. Resumen   
El análisis de este artículo muestra que cortar el área del plano de referencia directamente debajo de la plataforma SMT puede reducir el desajuste de impedancia y aumentar el ancho de banda de la línea de transmisión.   
La distancia entre la almohadilla SMT y la lámina de cobre de referencia interna depende del ancho de la almohadilla SMT y del espesor efectivo de la almohadilla SMT, incluido conector Pines y soldadura. Si las condiciones lo permiten, se realizará un modelado y simulación 3D antes de la producción de la PCB para garantizar que el canal de transmisión construido tenga una buena integridad de señal.
   
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