Guía de ondas coplanar frente a Microstrip: cuándo cambiar

La versión unifilar

Microstrip aleja la corriente de retorno a un grosor de sustrato. La guía de ondas coplanar la coloca a un ancho de separación, en la misma capa. A baja frecuencia a nadie le importa. Por encima de unos pocos GHz, te empieza a importar mucho.

Por qué es importante la ubicación de la ruta de regreso

Cada señal necesita un retorno. En el caso de las microtiras, ese retorno se extiende en el plano inferior, separadas por el grosor del laminado: 0,5 mm, 1,6 mm, independientemente de lo que arroje el laminado. El bucle entre la señal y el retorno lo establece la placa, no tú.

CPW devuelve ese control. Los terrenos están junto a la pista, separados por el hueco que tú elijas. ¿Quieres un confinamiento de campo más estricto? Reduzca la brecha. El bucle se encoge, la radiación disminuye y el acoplamiento a cualquier otra cosa que esté en la placa disminuye con él.

Hay una segunda consecuencia que la gente nota antes: los componentes de derivación se vuelven más fáciles. En microstrip, conectar a tierra un condensador de derivación significa una vía, y esa vía tiene una inductancia que hay que modelar. En CPW, el suelo está justo allí, a unos cientos de micras de distancia. Las piezas de la derivación se montan prácticamente sin inductancia parásita. Si alguna vez ha buscado una red coincidente que funcionara en simulaciones y no en un laboratorio, es probable que la inductancia haya sido parte de la historia.

La fórmula y por qué parece extraña

La impedancia CPW proviene del mapeo conforme. Transforma la sección transversal y la extraña geometría de tres conductores se convierte en un condensador de placas paralelas, lo que te proporciona:

$K$ es la integral elíptica completa del primer tipo. No dejes que eso te desanime: es una función que se comporta bien y cualquier herramienta decente la evalúa con la media aritmético-geométrica en unas cinco iteraciones.

La parte interesante es lo que falta. Sin altura de sustrato. Para obtener un CPW ideal sobre un sustrato grueso, la impedancia depende únicamente de la relación $W/(W+2G)$. Escala toda la sección transversal hacia arriba o hacia abajo y el $ Z_0$no se moverá.

Esto es realmente diferente de las microtiras, donde el grosor es la variable dominante. También significa que el CPW se escala sin problemas: la misma relación entre ancho y espacio proporciona la misma impedancia a 1 mm que a 100 µm.

El CPW puesto a tierra y la trampa que hay en él

Nadie construye sobre un sustrato infinitamente grueso. La mayoría de los diseños añaden un plano en el lado opuesto por motivos mecánicos y térmicos, y ahora tienes un CPW conectado a tierra (GCPW o CPW con conductor), según el artículo que estés leyendo.

El plano de apoyo atrae el campo hacia el sustrato. La permitividad efectiva aumenta, la impedancia disminuye:

Esta es una comprobación que vale la pena hacer en cualquier herramienta de CPW que utilices. Empuja la altura del sustrato hacia arriba. A medida que $h$ crece,$k_3 \to k $,$ q \to 1$, y todo debería derrumbarse hasta convertirse en $\varepsilon_{r,eff} = (1+\varepsilon_r)/2$: la respuesta infundada. Si una calculadora no converge en eso, su factor de llenado es incorrecto, al igual que todo lo relacionado con el proceso posterior.

La trampa

El CPW con tierra solo se comporta como el CPW, mientras que los terrenos coplanar dominan. Deje que el espacio sea mucho más ancho que la altura del sustrato y, en su lugar, la mayor parte del campo termine en el plano de apoyo. En ese momento, tendrá una microtira con dos tiras inútiles de cobre a cada lado, y su fórmula de CPW tiene una diferencia de decenas de puntos porcentuales.

Regla empírica: mantén el artículo $G \lesssim h$. Si tu espacio es tres veces la altura del sustrato, deja de llamarlo CPW.

El grosor del cobre importa más de lo que cabría esperar

Esta es la parte en la que la mayoría de las calculadoras se equivocan, y es más difícil exactamente donde el CPW es más útil: espacios reducidos.

El grosor finito del metal hace dos cosas distintas:

1. Amplía la tira y reduce el espacio. El estándar, bien documentado, reduce el $Z_0$ un pequeño porcentaje a 1 onza de cobre.
2. Añade capacitancia a la pared lateral. La pared lateral de la tira mira hacia la pared lateral del suelo a través del espacio, y esa capacitancia se encuentra por encima de la superficie del sustrato, en el aire.

La segunda es lo que se pierde. Como la capacitancia adicional se encuentra en el aire, aumenta las capacitancias llenas de aire y de sustrato en la misma cantidad absoluta, lo que reduce el $\varepsilon_{r,eff}$abajo.

¿Cuánto? Lo comprobamos con un solucionador de campos electrostáticos 2D. Con 1 onza de cobre en un espacio de 0,3 mm, es aproximadamente el 3,5%. Con 2 onzas en un espacio de 0,15 mm, es más del 13%. Una fórmula de grosor cero lo omite todo, y el error se refleja directamente en el retardo de propagación y en la longitud de onda guiada, por lo que la coincidencia de longitudes se desvía en la misma fracción.

Si haces algo en lo que el retraso es importante, no se trata de un error de redondeo.

Las vías de costura no son opcionales

Los terrenos coplanares y el plano de respaldo forman una cavidad de placa paralela. Déjalos conectados solo en los bordes de la placa y esa cavidad resonará en algún lugar, normalmente en algún lugar inconveniente. En el S21 aparece una abertura aguda e inexplicable que se mueve cuando cambias el tamaño de la placa, lo que en realidad es un buen diagnóstico, porque una resonancia de circuito real no lo haría.

Usa ambos lados de la línea con vías de tierra, espaciadas no más de λ /20 con la frecuencia más alta que desees. Aprieta lo que esté cerca del lanzamiento del conector y de cualquier otra discontinuidad. λ /40 no hay paranoia.

Entonces, ¿cuándo cambias realmente?

Usa CPW cuando:

• Estás por encima de aproximadamente 10 GHz y la radiación y la dispersión comienzan a doler.
• El sustrato es lo suficientemente grueso como para que una microtira de 50 Ω necesite una traza ancha poco práctica.
• Tienes componentes de derivación en la ruta de la señal y, por inductancia, te estás devorando a tu pareja.
• Te estás conectando a un conector: la masa coplanaria se alinea de forma natural con los contactos exteriores del conector, lo que permite una transición mucho más limpia.

Quédate con Microstrip cuando:

• El sustrato es delgado, mide menos de 0,2 mm. El plano de soporte domina independientemente de la holgura, por lo que se obtiene un comportamiento similar al de las microtiras, además de restricciones de fabricación adicionales.
• La tolerancia de separación de su fabricante es débil. La impedancia CPW depende de la relación entre el ancho y el espacio, por lo que la tolerancia al grabado es dos veces mayor.
• Nada del diseño lo necesita. CPW calcula el área de tablas para el suelo coplanar y añade un requisito de costura. Si el microstrip funciona, utilice el microstrip.

Notas prácticas

Mantén la proporción constante. En cada transición de estrechamiento, curvatura y almohadilla, mantén pulsado $W/G$. Eso es lo que preserva la impedancia, no las dimensiones absolutas. Empujar el conductor central sin reducir el espacio es una discontinuidad, aunque la traza «parezca» continua. Amplíe tanto como lo permita su tolerancia de espacio. La pérdida de conductor disminuye con el ancho, y una tolerancia de grabado fija es una fracción menor de una característica más ancha. Observe la rugosidad de la superficie en laminados de baja pérdida. El CPW concentra la corriente en los bordes de los huecos, por lo que la rugosidad de los bordes cuesta más que en las microtiras. Si ha comprado un laminado caro por su tangente de pérdida, no devuelva la ganancia a través del perfil de cobre.

Calcula los números con la calculadora de guía de ondas coplanar: maneja tanto el CPW como el CPW conectado a tierra, incluye el efecto del grosor del cobre sobre la impedancia y la permitividad efectiva, y te indica el espacio que queda en 50 Ω para cualquier ancho de centro que hayas elegido.