Согласование волнового сопротивления на СВЧ

Тема согласования импедансов является достаточно большой. Согласование элементов между собой в СВЧ трактах производится на всех уровнях: волноводные конструкции, модули, печатные платы, интегральные схемы и т.п. Касаемо печатных плат по этому вопросу написано очень много рекомендаций: конечная ширина дорожек, близость элементов и металлизированных структур, влияние переходных отверстий, разброс параметров диэлектрика. Иногда производители сами приводят дизайны цепей согласований для своих устройств, а если устройство призвано работать при стандарте импеданса в 50 Ом, то это случается реже. Однако не стоит принимать как данность тот факт, что если микросхема согласована на работу при таком волновом сопротивлении, то к ней достаточно подвести "стандартную 50-Омную" дорожку, сузив её на конце. Несомненно, изменение ширины от 50 Ом приводит к изменению импеданса линии. Чаще всего на это обращают внимание новички в первых своих проектах. Насколько может быть критичен скачок ширины микрополосковой линии?

Поскольку часть изложенных мыслей будет схожа как и для печатных плат, так и для гибридных и интегральных СВЧ микросхем, то в рамках статьи такие понятия как “печатная плата”, “подложка” (например, полупроводниковая или керамическая), “основание” предварительно условимся считать эквивалентными. В зарубежной литературе часто можно встретить слово “substrate”.

Разбираемся с микрополоском

Итак, одним из начальных этапов разработки является выбор основания, на котором будет реализована схема. Так и поступим. Поскольку речь идёт об СВЧ, то хорошим тоном и дополнительным шансом успешной реализации проекта будет выбор специального материала, обладающего высокой стабильностью относительной диэлектрической проницаемости как в пространстве, так и по частоте. Не стоит забывать и про тангенс угла диэлектрических потерь, технологичность, удобство монтажа и прочее. Пускай это будет ламинат фирмы Rogers Ro3035 со следующими интересующими нас параметрами:

• диэлектрическая проницаемость - 3,6;

• магнитная проницаемость - 0,0015;

• толщина диэлектрического основания - 500 мкм;

• толщина медной фольги - 18 мкм; остановимся на этой толщине, отбросив тот факт, что в процессе производства по дизайну разработчика, плата претерпевает изменения, в том числе на неё может наноситься финишное проводящее покрытие (например, золото), и конечная толщина металла становится больше. Для темы это значения не имеет.

Поскольку многие параметры, в том числе и волновое сопротивление, должны быть привязаны к какой-то частоте, то наши опыты проведем в диапазоне 8–12 ГГц. Для определения оптимальных параметров микрополосковой линии (сокр. МПЛ) воспользуемся програмкой TxLine. Вносим туда известные нам параметры печатной платы, а также желаемую центральную частоту и волновое сопротивление:

Для удобства примем ширину МПЛ равную 1090 мкм. Такая величина не сильно будет влиять на значение импеданса в нашей частотной полосе 8–12 ГГц. Дальнейшие расчёты будем вести в одной из специализированных САПР по СВЧ – AWR Design Environment (Microwave Office, сокр. MWO), используя модуль для квазистатического моделирования, не требующий больших вычислительных ресурсов ПК. Заносим туда параметры подложки, добавляем микрополосковую линию (в программе обозначается как MLIN) и производим её частотный анализ:

Как видно, назначенная ширина линии обеспечивает хорошее согласование в большом диапазоне частот (волновое сопротивление около 50 Ом). С ростом частоты имеем незначительные потери сигнала (коэффициент передачи S21) получившейся структуры.

Что же, давайте посмотрим, как изменятся характеристики, если длина будет отличной от 10 мм. Возьмём случайный набор длин: 0.1, 1, 10, 14.5 и 40 мм. Обозначим такую вариацию через переменную Match_L. 

Для случая согласованной линии передачи не произошло ничего необычного: волновое сопротивление линии по-прежнему в районе 50 Ом во всём диапазоне частот. Коэффициент передачи снижается с ростом частоты (от зелёной до синей по мере увеличения длины).

А если не 50 Ом?

Расстроим нашу передающую линию. Возьмём ширину отличную от 1090 мкм. Например, 700 мкм:

И вот уже появляются частоты, где микрополосок имеет ярко выраженное отличие волнового сопротивления от номинального. При длинах такой , сравнимой с длиной волны электромагнитных колебаний, ослабление сигнала на одной частоте может быть заметно выше/ниже ослаблений на других частотах из-за возникающих переотражений.

Возвращаемся в программку TXLine и подставляем ширину линии 700 мкм. Получаем волновое сопротивление 64 Ом. Убеждаемся: в WMO назначаем волновое сопротивление портов не 50, а 64 Ом, таким образом согласуя условные приёмник и передатчик на линию:

Подключаем СВЧ усилитель мощности

“Ok. Ну и что с того? Это многим известно. Рисуй дорожку “шириной” 50 Ом и будет тебе хорошая связь между СВЧ микросхемами”. Вроде бы просто, до того момента пока не дошел до выбора посадочного места под компонент.

Берём какую-нибудь СВЧ микросхему и смотрим чертежи её корпуса:

Интересующие размеры подчёркнуты. Затруднительно подвести дорожку шире 1090 мкм к одному из выводов, при этом не замкнув его с соседним. И тут довольно часто наблюдается следующая картина: к микросхеме идёт МПЛ шириной, соответствующей импедансу 50 Ом, а в непосредственной близости она сужается до размеров ножки (вывода) микросхемы. Притом сужение может быть плавным или ступенчатым. Длину такой узкой части дорожки стараются сделать максимально короткой, в пределах 0,5...2 мм, но это зависит от многих параметров, в том числе и частот. Хорошо, но что с волновым сопротивлением при таком решении?..

Наиболее худшим вариантом является переход ступенькой. Давайте попробуем описанным выше способом подключить одну из микросхем в СВЧ тракт и посмотрим АЧХ сигнала.

Вначале рассмотрим такую микрополосковую линию саму по себе, но с уже готовым концом шириной 0,25 мм для подключения одного из выводов микросхемы. Оговорюсь сразу, что производители СВЧ элементной базы могут выпускать отдельные элементы как без (такие, как транзисторы и диоды), так и с 50 Омными входами/выходами (обычно законченные СВЧ устройства, наподобие усилителей, фазовращателей, аттенюаторов, циркуляторов, преобразователей частоты, ответвителей, фильтров и т.п.). И не факт, что такое устройство является обычным компонентом SMT-исполнения, устанавливающийся на плату лишь при помощи паяльника. Часть из перечисленного может требовать, например, разварки с помощью микропроволоки или ленты. Соответственно, концом цепи по аналогии с нашим примером будет выступать место разварки на стороне такого элемента.

Примеры микросварки между элементами

Согласование выбилось из желаемых 50 Ом. Импеданс обоих портов уже явно зависит от длины, казалось бы, 50-Омной МПЛ. Становиться проблематично согласовать между собой две СВЧ микросхемы. Да и потери ещё больше возросли: с 0,18 дБ до 0,42 дБ для 40 мм линии на частоте 10 ГГц.

Добавим в проекте ещё один график - коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН). КСВН будем смотреть только на входе #1, т.к. нет необходимости в захламлении координатной плоскости, а поведение для входа #2 будет похожим.

С графиком зависимости КСВН от частоты немного легче отслеживать уровень согласования как частей цепи, так и законченного устройства. Аналогичную роль выполняют зависимости S11 в прямоугольной системе координат, либо более информативное представление S11 на диаграмме Вольперта-Смита. Наблюдаем плавное увеличение КСВН1 по мере роста частоты. Допустимый уровень определяется самим разработчиком/ТЗ. Кого-то устраивают значения ≤ 2, а для кого-то и значения более 1,1 недопустимы. 

Попробуем включить между двумя такими линиями какой-нибудь СВЧ усилитель и глянем на изменение характеристик всего устройства? В качестве примера возьмём HMC451LP3. Производитель позиционирует его как усилитель мощности (сокр. УМ) для диапазона 5–18 ГГц. Он вполне попадает в нашу частотную полосу, имеет среднюю ширину вывода 0,23 мм.

Соберём простенькую схему, где будет только такой усилитель (его S-параметры, которые можно скачать на сайте производителя) и пара рассмотренных ранее СВЧ дорожек, подходящих к его входу и выходу. Приглушу линии графика волнового сопротивления, чтобы не пугать читателя, но пунктиром для сравнения добавлю характеристики S21 и КСВН непосредственно самого усилителя мощности HMC451LP3:

И вот уже усилитель вместо максимально возможной мощности 21 дБм (125 мВт) выдаёт не более 20 дБм (100 мВт). В зависимости от задач кого-то это может не устроить, ведь с увеличением выходной мощности, особенно на десятках Ватт, каждые доли Децибел могут быть фатальными. А в СВЧ тракте зачастую стоит не один подобный компонент. По чуть-чуть с каждого такого перехода набегают потери. В нашей задаче полоса частот относительно узкая, а если конечное устройство должно работать в октавной полосе и более, то можно получить повышенную неравномерность коэффициента передачи (рисунок выше).

Улучшаем согласование

Как было написано выше, плавный переход является более предпочтительным вариантом. Здесь бывает несколько вариаций, например, линейный или экспоненциальный. Но и его иногда не хватает для лучшего согласования. Длина переходной части также влияет на максимальную рабочую частоту. Попробуем поправить сложившуюся ситуацию. Введем в схему согласующую подцепь, разбив её на три участка и задавшись следующими условиями:

• 1-ый участок начинается портом #1, имеющим волновое сопротивление 50 Ом;

• 1-ый участок - это микрополосковая линия шириной 1090 мкм, т.к. должна быть равной ширине внешней 50-Омной МПЛ, поскольку длина такой линии, как мы убедились из рисунка 5, не скажется на согласовании. Протяжённость 1-ого участка лучше взять небольшой, скажем 500 мкм.

• 2-ой участок это набор различных согласующих структур. У нас он будет представлен парой последовательно соединенных микрополосковых линий с возможностью изменения их длины и ширины.

• 3-ий участок оканчивается портом #2, имеющим волновое сопротивление 50 Ом;

• 3-ий участок имеет ширину МПЛ 250 мкм (под ножку микросхемы); её минимальная длина должна быть комфортной для осуществления монтажа, максимальную же ограничим 1 мм – лучше сэкономленное место отдать под 2-ой участок цепи согласования.

После недолгих манипуляций с подбором оптимальных геометрических размеров 2-ого участка, получаем следующую топологию согласующего трансформатора:

Такая цепь (назовём её “Match”) вносит приемлемо малое ослабление, и импеданс на её концах близок к 50 Ом. Наличие такого трансформатора хорошо нивелирует волновое сопротивление, и “внешняя” линия шириной 1090 мкм может тянуться на любое расстояния без боязни получить неприятности вплоть до режима стоячей волны (в особенно запущенных случаях) на какой-то из рабочих частот:

Режим смешанных волн

Раз уж обмолвился про стоячие волны, то вернёмся немного назад, к самим микрополосковым линиям. Посмотрим как по длине 50-Омной части шириной 1090 мкм распределяется средняя мощность? Подобные опыты делают на лабораторных работах в университетах, но как правило для волноводных конструкций. Для этого немного модифицируем нашу схему: разделим дорожку с шириной 1090 на две, подключив в точке разрыва пробник, с помощью которого будем измерять мощность на данном участке. Эта исследуемая точка будет перемещаться от генератора (порт #1) к нагрузке (порт #2) на расстояние Xpoint. Соответственно длина первого участка будет увеличиваться, а второго – уменьшаться, но суммарная длина линии останется прежней. Для интереса проверим несколько вариантов протяжённости такой линии от 5 мм до 20 мм с шагом 5 мм. Также заменим пассивный входной порт #1 на активный, генерирующий мощность равную 1 Вт (30 дБМ) на частоте 10 ГГц.

Запускаем анализ и наблюдаем следующую картину:

Для случая отсутствия подцепи «Match» по всей длине линии образуется режим смешанной волны, формируя периодические участки как с пониженным уровнем мощности, так и с мощностью выше мощности генератора. Такой пример более наглядно демонстрирует влияние согласования источника и нагрузки на функционирование СВЧ устройств. Естественно, для обоих случаев наблюдается постепенный спад мощности сигнала по длине линии.

Под спойлером ниже для большего понимания показана анимация электромагнитной волны в каждом из трёх полосков (в порядке слева направо):

• с постоянной шириной, соответствующей 50 Ом.

• с согласующей цепью;

• обычный ступенчатый переход;

Электро-магнитное моделирование

На левой микрополосковой линии ЭМ волна распространяется равномерно по всей длине (режим бегущей волны), что характерно для случая идеального согласования. На остальных заметны пульсации (режим смешанных волн), причём на ближайшей к зрителю всплески и провалы напряжённости поля выражены сильнее. 

Ещё усилитель?

“Минутку, у нас только один из концов линии имеет приемлемые размеры для подключения микросхемы. А второй? Ведь 50-Ом дорожка не может просто так возникать из пустоты. Она тоже с чего-то начинается.” Верно. Вместо порта #1 может выступать как выход другой микросхемы, так и разъём для внешнего подключения, либо выход антенны, либо микропроволоки упомянутые выше и т.д. А их ведь тоже нужно согласовать на эту МПЛ. Что же, подключим еще одну микросхему: сделаем как в выше рассмотренных случаях и сравним оба варианта. И чтобы не заваливать читателя дополнительной информацией, возьмём для простоты уже известную HMC451LP3.

Уменьшение коэффициента усиления для случая первой топологии может достигать до 3 дБ, т.е. снижение выходной мощности в 2 раза! Конечно, получившаяся согласующая цепь одна из простых. На практике случается делать гораздо более экзотические топологии, но в то же время более эффективных:

Для разобранного в статье примера на самом деле не всё так плохо. Длина подводящей линии (шириной 250 мкм) к микросхеме выбрана равной 1 мм, что для большинства используемых компонентов в корпусе QFN является излишним — СВЧ микросхем, у которых соседние выводы в таких корпусах задействованы, не так уж много, соответственно широкую линию можно подвести поближе к корпусу. В то же время 8–12 ГГц не самые большие частоты. Если уйти в Ka-диапазон и выше, то даже более короткие отрезки становятся сравнимы с длиной волны, а фазовые эффекты ощутимей. Вдобавок другое сочетание параметров подложки тоже внесёт свои коррективы. В общем, тема согласований комплексная и этим интересна.

Без ширины 50 Ом на СВЧ никак?

Также имеет место быть другой подход. Эта тема для отдельного обсуждения, здесь я пока обозначу её вскользь.

Никто не мешает вам согласовывать два узла СВЧ схемы без промежуточного перехода на “стандартную” ширину МПЛ, имеющую импеданс 50 Ом (1090 мкм в примерах выше). В некоторых случаях топология для согласования вполне может получиться даже меньших размеров, нежели переход скажем 250=>1090=>250 мкм. Такой способ может пригодиться в случае, когда компоненты должны быть расположены в строго фиксированных местах, а площади под широкую линию нет. Но метод имеет и минус. Думаю, он очевиден — если в следующей разработке будут применяться похожие СВЧ компоненты, и они будут размещаться на плате в других местах друг относительно друга, то и цепь согласования понадобиться перестраивать заново.
 

Заключение

Краткие выводы, которые можно извлечь для себя:

1. К соединению СВЧ компонентов стоит подходить осознанно. Упущенные мелочи могут не сказаться в одном проекте, но выйти боком в другом.

2. При согласовании элементов нужно определить для себя какой топологией будет начинаться и оканчиваться такая цепь.

3. Переход на линию 50 Ом удобен, если предполагается вероятность изменения расположений СВЧ компонентов на основании.

4. Не везде и не всегда нужно стремиться к золотым 50 Ом. Такой импеданс необходим как правило на входах и выходах законченного устройства. Для связи с другими внешними СВЧ девайсами. Что внутри самого устройства для пользователя (заказчика) по сути не важно.

5. Если Вы часто используете определённую подложку и СВЧ микросхемы в однотипных корпусах, то можно разработать под свои потребности шаблонный трансформатор сопротивлений. Это очень удобно, когда есть возможность оперативно вставлять такой трансформатор сразу под вывод микросхемы. Или вообще сразу использовать эту связку как отдельный библиотечный элемент.

Напоследок отмечу, что сами покупные СВЧ элементы, позиционируемые как 50-Омные, имеют небольшой разброс импедансов по частоте. Спроектировав трансформатор сопротивлений под каждую частоту, можно ещё больше улучшить характеристики всего законченного устройства. Но это чуть сложнее: такое индивидуальное согласование имеет как свои плюсы, так и минусы, требующих отдельного рассмотрения.