Сравнение микрополосковой и копланарной линий (для СВЧ плат)

От переводчика: Большая часть электроники в наши дни делается на основе печатных плат. СВЧ устройства требуют как специальных диэлектрических подложек (про это я писала тут и тут), так и других типов "дорожек". Чаще всего для СВЧ применений используются микрополосковые и копланарные печатные линии.

Автор статьи - Джон Кунрад, технический маркетинг-менеджер компании Роджерс (Rogers Corp). Роджерс - крупнейший производитель диэлектрических подложек и других материалов.

Оригинал статьи можно найти тут. А вот тут и тут можно посмотреть видео этого автора на оф.канале компании на YouTube.

Оригинальная статья представлена без картинок, однако есть приписка "основано на презентации, показанной на IEEE 2015 International Microwave Symposium". Я нашла эту презентацию и дополнила слайдами перевод.

Мне захотелось перевести эту статью, так как я разработчик и веду блог в Инстаграме (и тут пишу), мне показалось, что этот материал полезен для разработчиков.

В статье говорится только о заземлённом копланаре, не путайте с обычным копланаром, у которого нет металла снизу платы.

Сравнение печатных плат с микрополосковыми и заземлёнными копланарными печатными линиями

Разработчики обычно должны выбирать между микрополоском и заземлённым копланаром для своих схем, а также подбирать оптимальный материал подложки для наилучшего результата. В этом блоге (прим.переводчика - на сайте компании есть блог с полезными статьями, вопросами и ответами) часто упоминается, что подложки для печатных плат обладают различными параметрами - как электрическими, так и термическими, а именно: диэлектрическая проницаемость, потери, максимальная мощность, максимальная ширина полосы частот на высоких частотах. Технологии изготовления линий передачи, такие как микрополосковая и копланарная имеют свои преимущества и недостатки. В этой статье будет будет показано их сравнение.

Микрополосковая линия передачи формируется с помощью тонкой линии передачи на одной стороне СВЧ платы и проводящего земляного полигона на другой стороне. Параметры получившейся линии передачи зависят от характеристик подложки, таких как: толщина подложки,толщина проводящего металла, шероховатость поверхности металла, а том числе со стороны диэлектрика.

Заземлённые копланарные линии по сравнению с микрополосковыми имеют больше земляных полигонов. Земляные полигоны кроме нижней стороны платы также расположены по бокам от сигнальной линии. Заземлённые копланары таким образом добиваются электрической стабильности, "заковывая" сигнальный полосок в обрамление из "земли".

В обоих типах линий распространяется квази-ТЕМ волна. Копланарные линии, из-за наличия дополнительных полигонов, сложнее в производстве. Но также у них меньше показатель дисперсии по сравнению с микрополосковыми линиями, и меньше потери на излучение, особенно на частотах, близких к миллиметровому диапазону.

Таблица:

Заземлённые копланары, из-за наличия земли на верхнем слое, применимы на более высоких частотах, чем микрополоски, а также могут обеспечить более широкий диапазон волновых сопротивлений. С другой стороны, микрополоски более надёжны и их легче изготовить (в отличие от заземлённых копланарных линий, где требуется изготовление металлизированных отверстий). К тому же микрополосковые линии менее чувствительны к качеству изготовления печатной платы. Микрополосковые топологии показывают меньший разброс параметров из-за явлений подтравов и итоговых ширин и зазоров, а также итоговой толщины металлизации.

Подпись слайда:

Секрет различия Микрополосковой и Заземлённой копланарной линий передач лежит в распределении полей.

Микрополосок:

• Поле в основном сконцентрировано между сигнальным полоском и земляным полигоном

• Большая концентрация полей на торцах сигнальной линии

Заземлённый копланар:

• Сильное поле между сигнальным полоском и земляными полигонами на верхнем слое платы

• Концентрация полей внутри подложки меньше

• Сильносвязанные копланарные линии дополнительно имеют больше потерь в проводнике, но меньше потерь на излучение, а также позволяют подавлять паразитные моды

В целях наиболее честного сравнения в Роджерс были изготовлены несколько плат на материалах 4000-й серии, включая RO4350B толщиной 0,254 мм с электроосаждённой фольгой 18 мкм. Физические различия в технологии изготовления сильно влияют на электрические свойства - электромагнитные поля. В микрополосковой линии почти всё поле лежит между сигнальным полоском в верхнем слое и земляным полигоном на нижнем слое, а также много полей на торцах полоска. В заземлённой копланарной линии передачи сильные поля находятся в зазорах между землёй и сигнальным полоском на верхнем слое, в то время как поля более слабые между верхним сигнальным полоском и нижним земляным полигоном. Линии передачи в виде заземлённого копланара больше подвержены увеличению потерь из-за потерь проводимости металла, но имеют меньше потерь на излучение в сравнении с микрополосковой линией. Кроме уменьшения потерь на излучение, заземлённые копланарные линии хороши тем, что из-за близости земляных полигонов на верхнем слое, могут эффективно подавлять паразитные моды.

Микрополосковые линии передачи, выполненные на печатной плате, даже с некоторым производственным разбросом, работают вполне стабильно. Заземлённые копланарные линии передачи могут работать на более высоких частотах с более низкими потерями, чем микрополосковые линии, но они более чувствительны к процессу изготовления. Например, более толстый слой меди у микрополосковой линии немного уменьшит эффективную диэлектрическую проницаемость и немного улучшит потери (уменьшит). На копланарную линию передачи увеличение слоя металла окажет намного более сильное влияние - усилятся поля между сигнальным полоском и земляными полигонами на верхнем слое, уменьшит эфф. диэл. проницаемость, а также уменьшит потери вследствие конечной проводимости.

Одна из особенностей копланарной линии состоит в том, что электромагнитная волна распространяется в зазоре между сигнальным полоском и земляными полигонами, то есть в воздухе, где диэлектрическая проницаемость равна 1. В то время как в подложке, где диэлектрическая проницаемость больше 1, концентрация полей меньше. Результатом этой особенности является более низкая результирующая диэлектрическая проницаемость структуры. Широкие проводники помогают снизить потери проводимости. Увеличение толщины меди означает более высокие стенки проводников на верхнем слое платы, где как раз происходит самая большая доля распространения (в воздухе между стенками), что снижает эффективную диэлектрическую проницаемость и потери для таких схем. Заземлённый копланар может быть рассчитан и изготовлен как слабосвязанным, так и сильносвязанным, от этого будут зависеть итоговые параметры линии передачи.

Например, эти два типа будут по разному реагировать на наличие или отсутствие финишного покрытия на проводниках - например, иммерсионного золота (ENIG). Из-за того, что никель имеет меньшую проводимость, чем медь (прим. переводчика: покрытие ENIG предполагает нанесение подслоя никеля), характеристики линии пострадают - потерь в такой линии будет больше, чем у непокрытой. Далее, сильносвязанная копланарная линия будет сильнее реагировать на потери проводимости, чем слабосвязанная, при условии одинакового финишного покрытия - имм. золота. Особенно, если плата будет многослойной, то есть будет несколько слоёв с покрытием из никеля и золота.

Различия могут наблюдаться из-за многих производственных факторов, например, таких, как финишное покрытие, ширина и толщина проводников.

И микрополосковая и копланарная линии обе хорошо подходят для применения в ВЧ и СВЧ схемах. Различия состоят в геометрии, выбор материала подложки влияет на итоговые параметры, как и технология производства. В общем случае, на микроволнах лучше выбирать микрополосковую линию, так как она менее чувствительна к производственным разбросам. Но, когда, планируется применение на высоких частотах (мм-диапазон), копланарные линии лучше, у них меньше показатель дисперсии и потери на излучение. Также копланарные линии обеспечат бОльшую ширину полосы в мм-диапазоне, чем микрополосковые. Также, стоит помнить, что копланарные линии гораздо лучше, при необходимости, подавляют паразитные моды.

_{Перевод не спонсирован}