使用模式選擇傳輸線利用毫米波路由

2022-04-14

使用模式選擇傳輸線利用毫米波路由

高速PCB正在將數據速率推高，對互連提出了嚴格的設計要求，以確保信號完整性和低損耗。射頻PCB的基板集成波導路由，作為高頻路由的一種選擇。這種類型的傳輸線提供了出色的隔離，對于簡單的天線轉換非常有用，但它并不是高頻設計布線的唯一選擇。

模式選擇傳輸線是共面波導配置的一種變體，用于在非常高頻率的組件之間路由信號。使用模式選擇傳輸線或其他幾何結構的目標是通過單模傳播在特定帶寬內提供低色散和低損耗路由。在本文中，我將介紹共面波導的這種簡單變化，以及如何使用模式選擇傳輸線為 RF 應用提供具有模式選擇的高隔離路由。

高速通過射頻設計彌合差距

無論您是數字設計師還是RF設計師，將高速數字通道推向更高頻率都迫使每個人在設計期間都采用RF概念。

請記住，標準PCB走線是TEM傳輸線，這意味著沿走線傳播的波近似為平面波。這一直保持在低頻，直到您開始達到中 GHz 帶寬（遠高于 WiFi 頻率?。．斈_到足夠高的頻率時，您將開始注意到電磁場中的行為，這完全是由于結構中的波傳播而產生的。這是替代傳輸線幾何形狀可用于抑制高階（非TEM）模式并確保以所需帶寬傳播到接收器的地方。

使用TEM傳輸線的替代方案進行布線

由于我上面列出的原因，一些波導幾何形狀在非常高的頻率和非常高的數據速率應用中可能更理想，因為它們可以設計為允許單模路由，或者更確切地說，它們可以防止PCB中非TEM 模式的激發波導。其中一些替代路由幾何結構是：

襯底集成波導。查看本文以了解有關這些結構的更多信息。我已經使用它們在表面上帶有一個槽來連接到傳統的微波波導法蘭。 

同軸帶狀線波導。這種波導樣式有一條帶狀線在基板集成波導內部布線，總共涉及 3 層。該波導中的通孔壁提供隔離并允許多種模式選擇。 

模式選擇傳輸線。這是共面波導布線的一種變體，并提供了許多相同的優點。

如果您查看研究文獻，這些替代布線方式已經存在了很長時間，并且已經證明了它們在高達數百GHz的布線方面的可行性。這些波導結構很容易用標準制造技術生產，但一旦我們達到極高的頻率，它們也會受到限制。其中，模式選擇傳輸線 (MSTL)可以通過接地共面波導幾何 (GCPW)輕松生產，如下所示。

接地共面波導 (GCPW)和模式選擇傳輸線 (MSTL)。

高頻下的MSTL行為（TE 模式）

激發的特定模式將取決于幾個因素，但主要取決于互連幾何形狀。特別是，隨著信號頻率的增加，傳統微帶或帶狀線跡線中的橫模將被激發，這對于數字和射頻布線都是不希望的。這就是我們遇到傳統傳輸線的信號完整性限制的原因，特別是因為我們受到傳統PCB制造工藝的限制。對于需要在高 GHz 頻率下布線的設計人員，如果您正在設計RF系統，您可以設計GPCW結構以展示MSTL結構，或者如果您正在使用它，您可以將其設計為具有數字信號的最大帶寬一個高速數字系統。

要了解這是如何產生的，請查看下圖。這里我們有一些參數可以用來控制這個結構中的模式頻率。在低頻下，該結構就像一個簡單的 TEM 波導，因為傳播波低于共振。在更高的頻率之上，結構中的模式被激發，導致 S 參數光譜中的峰和谷。結構中的每個高階模式都有一個截止頻率，簡單地激發高于截止頻率的結構將導致電磁場以非 TEM 模式傳播通過該結構。這種高階模式激發的可能性是TEM 傳輸線的基本限制之一。

顯示 GPCW 如何過渡到 MSTL 結構的功率損耗數據。

如果您查看上述參考資料和這篇關于共面波導中數字信號的文章，您會發現相應的S參數數據有助于解釋上面顯示的功率損耗峰值。

這一切發生的原因是波通過結構傳播，它可以激發標準互連上模式的形成。當波的載波頻率足夠高時，它可能會激發PCB中傳輸線結構中的某些模式。這將在插入損耗和回波損耗光譜中產生波峰和波谷。如果您有數字信號，這些功率損耗峰值會告訴您信號可能會失真。對于模擬信號，它將信號的頻率限制在不會發生過度損耗和失真的特定范圍內。

這不就是一個接地的共面波導嗎？

是的！但是，使這種波導重要的是與載波信號波長相比的寬度。通孔之間的間距是您用來控制有用帶寬的最重要的機制。通孔之間寬度的這種簡單變化并不是接地共面傳輸線和模式選擇傳輸線之間的唯一區別，但它是用于預測模式激發和標準 TEM 傳輸線擊穿的主要點。

只是為了比較 GCPW 行為和 MSTL 行為期間發生的情況，請看下圖。該圖顯示了當信號頻率變得非常高并導致非 TEM 模式激發時會發生什么。TEM 模式不會產生縱向磁場的激發（頂行中的 Hz = 0）。在更高的頻率下，我們現在可以激發 TE 模式，該模式將具有縱向場分量。

TEM 模式中的電磁場（上圖）和更高頻率的 TE 模式。

在典型的微帶線或帶狀線中，您最終會激發平行板波導模式。不幸的是，在這些幾何形狀中，除了使層壓板更薄之外，沒有辦法抑制這些模式，這最終會達到其極限并且不適用于所有設計。

如上所示，波導具有幾何參數，可以通過選擇適當的幾何形狀來調整以允許或抑制各種模式。模式選擇傳輸線的結構使其具有以下特點：

高隔離。這是在任何波導中布線的主要好處，包括模式選擇傳輸線。沿邊緣的接地過孔柵欄提供對其他走線的屏蔽。

模式抑制。模式選擇傳輸線中的模式是基板集成波導模式和中心導體的準 TEM 模式的組合。沿邊緣的通孔柵欄間距可用于抑制襯底波導模式以確保單模傳播。

寬帶低色散。通過抑制表面波，您可以確保平坦色散到比微帶線或帶狀線更高的帶寬。通過在更寬的帶寬上保持較低的色散，目標阻抗的失真和偏差會更小，這也抑制了在接收器上看到的符號間干擾。 

在PCB中路由模式選擇傳輸線

對模式選擇傳輸線等共面波導幾何結構進行布線需要使用正確的CAD工具集。這是路由這些線路的簡單過程：

計算您將使用的所需模式的波阻抗。為此，只需計算所需的傳播常數并使用射頻設計教科書中的標準波阻抗方程即可。

在您的模式選擇傳輸線網絡和任何附近的接地多邊形之間設置所需的間隙。

用接地銅填充布線網絡周圍的區域。

在選定的多邊形上放置縫合過孔以擊中您的 VL、VP 和 SGW 目標。

下面的示例結構旨在提供 127.2 GHz 的 50 歐姆阻抗。它在 30 mil RO3003 上布線，以提供低損耗特性。它仍然需要進行一些 DFM 檢查以確保其可以制造，但間距、通孔尺寸和孔壁到孔壁的分離最初適合該結構以提供低損耗低失真波傳播。

通過工具進行多邊形澆注和縫合，模式選擇傳輸線布線很容易。

這種傳輸線幾何結構已被證明允許每秒傳輸太比特數據，它可能很快成為高速設計領域的關鍵部分。在上面的RF線示例中，如果我們想在結構中激發特定模式，我們可以改變VL和VP以使第一模式截止頻率較低。