Coplanar Waveguide im Vergleich zu Microstrip: Wann sollte man umsteigen

Die einzeilige Version

Microstrip leitet den Rückstrom um eine Substratdicke ab. Durch den koplanaren Wellenleiter wird er eine Spaltbreite entfernt auf derselben Schicht platziert. Bei niedriger Frequenz kümmert es niemanden. Irgendwo über ein paar GHz fängt man an, sich sehr darum zu kümmern.

Warum die Platzierung des Rückpfads wichtig ist

Jedes Signal braucht eine Rückkehr. Bei einem Mikrostreifen verläuft dieser Rücklauf in der darunter liegenden Ebene, getrennt durch die Dicke Ihres Laminats — 0,5 mm, 1,6 mm, was auch immer der Lagenaufbau ergibt. Die Schleife zwischen Signal und Rücklauf wird von der Platine festgelegt, nicht von Ihnen.

CPW gibt die Kontrolle zurück. Das Gelände befindet sich neben der Straße, getrennt durch eine Lücke, die Sie wählen. Willst du eine engere Feldbegrenzung? Verkleinern Sie die Lücke. Die Schleife schrumpft, die Strahlung sinkt und die Kopplung zu allem, was sich sonst noch auf der Platine befindet, sinkt.

Es gibt eine zweite Konsequenz, die die Leute früher bemerken: Shunt-Komponenten werden einfach. Auf Microstrip bedeutet die Erdung eines Shunt-Kondensators eine Durchkontaktierung, und diese Durchkontaktierung hat eine Induktivität, die Sie modellieren müssen. Bei CPW ist der Boden genau da, ein paar hundert Mikrometer entfernt. Shunt-Bauteile werden fast ohne parasitäre Induktivität montiert. Wenn Sie schon einmal nach einem passenden Netzwerk gesucht haben, das in der Simulation und nicht auf dem Prüfstand funktionierte, war die Verwendung von Induktivität wahrscheinlich Teil der Geschichte.

Die Formel und warum sie komisch aussieht

Die CPW-Impedanz ergibt sich aus der konformen Abbildung. Wenn Sie den Querschnitt transformieren, wird aus der komplizierten Dreileiter-Geometrie ein Parallelplattenkondensator, der Ihnen Folgendes bietet:

$K$ ist das vollständige elliptische Integral erster Art. Lassen Sie sich davon nicht abschrecken — es ist eine gut funktionierende Funktion und jedes vernünftige Werkzeug wertet sie mit dem arithmetisch-geometrischen Mittel in etwa fünf Iterationen aus.

Der interessante Teil ist, was fehlt**. Keine Substrathöhe. Für ein ideales CPW auf einem dicken Substrat hängt die Impedanz nur vom Verhältnis $W/(W+2G)$ ab. Skalieren Sie den gesamten Querschnitt nach oben oder unten und $Z_0$ bewegt sich nicht.

Das ist wirklich anders als bei Microstrip, wo die Dicke die dominierende Variable ist. Das bedeutet auch, dass CPW sauber skaliert: Das gleiche Verhältnis von Breite zu Abstand ergibt bei 1 mm dieselbe Impedanz wie bei 100 µm.

CPW mit Hausarrest und die Falle darin

Niemand baut auf einem unendlich dicken Untergrund. Bei den meisten Designs wird aus thermischen und mechanischen Gründen auf der anderen Seite eine Ebene hinzugefügt, und jetzt haben Sie ein geerdetes CPW — GCPW oder CPW mit Leiterunterstützung, je nachdem, wessen Artikel Sie gerade lesen.

Die Trägerebene zieht das Feld nach unten in das Substrat hinein. Die effektive Permittivität steigt, die Impedanz sinkt:

Hier ist ein Check, den Sie für jedes CPW-Tool, das Sie verwenden, durchführen sollten. Schieben Sie den Untergrund in die Höhe. Wenn $h$ wächst,$k_3 \to k $,$ q \to 1$, und das Ganze sollte zu $\varepsilon_{r,eff} = (1+\varepsilon_r)/2$ zusammenfallen — die unbegründete Antwort. Wenn ein Taschenrechner dem nicht entspricht, ist sein Füllfaktor falsch, und das gilt auch für alles, was nachgeschaltet ist.

Die Falle

Grounded CPW verhält sich nur wie CPW, während die koplanar Grounds dominieren. Wenn die Lücke viel breiter wird als die Substrathöhe, endet der Großteil des Feldes stattdessen auf der Trägerebene. An diesem Punkt haben Sie einen Mikrostreifen mit zwei nutzlosen Kupferstreifen auf beiden Seiten, und Ihre CPW-Formel weicht um mehrere zehn Prozent ab.

Faustregel: Halten Sie sich an $G \lesssim h$. Wenn dein Abstand das Dreifache der Substrathöhe beträgt, hör auf, ihn CPW zu nennen.

Die Dicke des Kupfers ist wichtiger als erwartet

Dies ist der Teil, den die meisten Taschenrechner falsch verstehen, und genau dort, wo CPW am nützlichsten ist, ist es am härtesten, nämlich bei engen Lücken.

Eine endliche Metalldicke bewirkt zwei verschiedene Dinge:

1. Es verbreitert das Band und verengt den Spalt. Der Standard, gut dokumentiert, senkt $Z_0$ um einige Prozent auf 1 Unze Kupfer.
2. Es erhöht die Kapazität der Seitenwand. Die Seitenwand des Streifens zeigt auf der anderen Seite der Lücke zur Seitenwand des Bodens — und diese Kapazität befindet sich über der Substratoberfläche, in der Luft.

Das zweite ist das, was übersehen wird. Da sich die hinzugefügte Kapazität in der Luft befindet, werden die luftgefüllten und die mit dem Substrat gefüllten Kapazitäten um den gleichen absoluten Betrag erhöht, wodurch $\varepsilon_{r,eff}$herunter gezogen wird.

Wie viel? Wir haben es mit einem 2-D-Löser für elektrostatische Felder verglichen. Bei 1 Unze Kupfer auf einem Abstand von 0,3 mm sind es etwa 3,5%. Bei 2 Unzen auf einem Abstand von 0,15 mm sind es über 13%. Bei einer Formel mit einer Dicke von Null wird alles verfehlt, und der Fehler geht direkt in die Ausbreitungsverzögerung und die gesteuerte Wellenlänge über — Ihre Längenanpassung weicht also um den gleichen Bruchteil ab.

Wenn Sie etwas tun, bei dem es auf Verzögerung ankommt, handelt es sich nicht um einen Rundungsfehler.

Das Zusammenfügen von Durchkontaktierungen ist nicht optional

Die koplanaren Grundflächen und die Trägerebene bilden einen Hohlraum mit parallelen Platten. Lassen Sie sie nur an den Kanten der Platine miteinander verbunden werden, und dieser Hohlraum wird irgendwo mitschwingen, normalerweise an einer ungünstigen Stelle. Es zeigt sich in S21 als scharfer, unerklärlicher Sauger, der sich bewegt, wenn Sie die Leiterplattengröße ändern — was eigentlich eine gute Diagnose ist, denn eine echte Schaltkreisresonanz würde das nicht tun.

Vernähen Sie beide Seiten der Linie mit Massedurchkontaktierungen, die bei der höchsten interessierenden Frequenz nicht mehr als λ/20 voneinander entfernt sind. Ziehen Sie das in der Nähe von Steckverbindern und anderen Unterbrechungen fest. Bei λ/40 ist das nicht paranoid.

Also wann wechselst du eigentlich?

Verwenden Sie CPW, wenn:

• Wenn Sie über etwa 10 GHz sind, beginnen Strahlung und Streuung zu schmerzen.
• Das Substrat ist dick genug, dass ein 50-Ω-Mikrostreifen eine unpraktisch breite Leiterbahn benötigen würde.
• Sie haben Shunt-Komponenten im Signalpfad und fressen über die Induktivität Ihr Streichholz auf.
• Sie stecken in einen Stecker — die koplanare Massefläche liegt auf natürliche Weise in einer Linie mit den Außenkontakten des Steckverbinders, was für einen wesentlich saubereren Übergang sorgt.

Bleiben Sie bei Microstrip, wenn:

• Das Substrat ist dünn, weniger als 0,2 mm. Die Trägerebene dominiert unabhängig vom Spalt, sodass das Verhalten von Mikrostreifen und zusätzliche Fertigungseinschränkungen auftreten.
• Die Lückentoleranz Ihres Herstellers ist locker. Die CPW-Impedanz hängt vom Verhältnis zwischen Breite und Abstand ab. Die Ätztoleranz ist also doppelt so hoch.
• Nichts am Design benötigt es. CPW kostet Plattenfläche für den koplanaren Untergrund und es fallen zusätzliche Näharbeiten an. Wenn Microstrip funktioniert, verwenden Sie Microstrip.

Praktische Hinweise

Halten Sie das Verhältnis gleichbleiben. Halten Sie bei jedem Übergang zu einer Verjüngung, Biegung und Abstützung $W/G$ gedrückt. Dadurch bleibt die Impedanz erhalten — nicht die absoluten Dimensionen. Das Einschnüren des Mittelleiters, ohne den Abstand zu verringern, ist eine Diskontinuität, obwohl die Leiterbahn „durchgehend“ aussieht. Wählen Sie so breit, wie es Ihre Lückentoleranz erlaubt. Der Leiterverlust nimmt mit der Breite ab, und eine feste Ätztoleranz ist ein kleinerer Bruchteil eines breiteren Merkmals. Achten Sie auf die Oberflächenrauheit auf verlustarmen Laminaten. CPW konzentriert den Strom an den Spaltkanten, sodass Kantenrauheit teurer ist als bei Mikrostreifen. Wenn Sie ein teures Laminat wegen seines Verlustantents gekauft haben, geben Sie den Gewinn nicht durch ein Kupferprofil zurück.

Führen Sie die Zahlen mit dem Koplanar-Wellenleiter-Rechner durch — er verarbeitet sowohl CPW als auch geerdete CPW, berücksichtigt den Effekt der Kupferdicke auf die Impedanz*und* effektive Permittivität und gibt Ihnen den Abstand an, der für die gewählte Mittenbreite bei 50 Ω landet.