Diseño de CPW y GCPW: desventajas de impedancia y diseño

Por qué es importante la guía de ondas coplanar

La guía de ondas coplanar (CPW) está en todas partes en el diseño de RF. Se puede ver en tarjetas digitales de alta velocidad, circuitos de ondas milimétricas y en cualquier lugar donde un ingeniero necesite un control estricto de la impedancia sin necesidad de perforar una gran cantidad de vías. A diferencia de las microbandas, en las que la ruta de retorno se encuentra en una capa separada, la CPW mantiene todo en un lado de la placa: la traza de la señal y los planos de tierra conviven en la misma superficie.

Sin embargo, la contrapartida es real. El CPW es más sensible a los detalles del diseño. Un espacio irregular, la falta de un segmento del plano de tierra o la elección incorrecta del sustrato arruinarán la impedancia e introducirán un acoplamiento no deseado. Aquí es donde las matemáticas se vuelven importantes y por qué tener una calculadora confiable es mejor que tratar de recordar las fórmulas.

Entender el CPW en comparación con el GCPW

Hay dos sabores que hay que entender. El CPW simple tiene planos de tierra coplanares a ambos lados de la traza de la señal, sin ningún plano de respaldo por debajo. Es más sencillo de fabricar y funciona bien en muchas aplicaciones, pero los campos se extienden más allá del espacio situado debajo de la placa.

El CPW conectado a tierra (GCPW) añade un plano de tierra en la capa posterior, justo debajo del rastro de la señal. Esto confina los campos con mucha más precisión, reduce la radiación y mejora el aislamiento entre las capas. El GCPW es el estándar moderno para trabajos serios de RF. La desventaja es que se necesitan más vías para conectar los planos de tierra superior e inferior, y la fabricación es un poco más compleja.

¿Cuál eliges? GCPW si te preocupa la interferencia, el blindaje o el funcionamiento a más de unos pocos GHz. CPW si tienes limitaciones de espacio o trabajas a frecuencias más bajas, donde la contención del campo es menos importante.

La ecuación de impedancia

La impedancia característica del CPW depende de la geometría del conductor y de la constante dieléctrica del sustrato. La fórmula exacta es complicada (implica integrales elípticas), pero la calculadora se encarga de ello por ti. Lo que importa es entender qué es lo que mueve la aguja.

El aumento de la distancia entre la traza de la señal y la base coplanaria aumenta la impedancia. Los trazos de señal más anchos la reducen. Una constante dieléctrica más alta reduce la impedancia. Estas relaciones no son lineales, razón por la cual la simulación o una calculadora superan a las matemáticas tediosas.

En el caso del GCPW, la altura del sustrato también desempeña un papel importante. Un sustrato más grueso reduce el acoplamiento al plano posterior y desplaza la constante dieléctrica efectiva, lo que cambia la impedancia. Este es un problema común: no puedes simplemente copiar un diseño de CPW en una pila de placas diferente y esperar la misma impedancia.

Ejemplo resuelto: diseñar un CPW de 50 Ω para una placa LNA de 5 GHz

Supongamos que está enrutando trazas en una placa Rogers RO4003C (constante dieléctrica de 3,55) con una altura de sustrato de 10 mil y 1 onza de cobre. Quieres una línea de transmisión de 50 Ω y tienes aproximadamente 8 milésimas de espacio para trabajar.

Primero, decide: ¿CPW simple o GCPW? Estás creando un LNA, por lo que el GCPW tiene sentido. La placa posterior ayudará a proteger la sensible red de entrada del ruido de otras capas.

Abre la Calculadora de guías de ondas coplanares (CPW y GCPW). Conjunto:

• Estructura: CPW con conexión a tierra (GCPW)
• Altura del sustrato: 0,254 mm (10 mil)
• Constante dieléctrica: Rogers RO4003C (3.55)
• Grosor del cobre: 1 oz (35 μm)
• Ancho del conductor central: comience con 5 milésimas de pulgada
• Brecha con respecto al suelo coplanar: 8 millas

Pulsa calcular. Obtendrás algo así como 48 Ω, cerca de 50, pero no del todo. Ajuste el ancho del conductor central a 5,2 milésimas de pulgada y vuelva a calcular. Ahora estás en 50,1 Ω. Ese es tu objetivo.

Observe que la calculadora también muestra la constante dieléctrica efectiva (alrededor de 2,8 para esta configuración) y la longitud de onda guiada a 1 GHz (aproximadamente 107 mm). Estas son importantes a la hora de diseñar: la longitud de onda guiada indica aproximadamente la longitud de un trozo de un cuarto de onda, por ejemplo.

Ahora viene la parte crítica: el retraso de propagación. Para esta traza, es de unos 4,2 ns/m. Si tiene una traza de 50 mm, son 210 ps de retraso. En un sistema de 5 GHz, eso equivale aproximadamente a 1 longitud de onda de cambio de fase. Si estás comparando impedancias o ajustando relaciones de fase, necesitas conocer este número.

La selección del sustrato y su impacto

Los diferentes sustratos lo cambian todo. Comparemos lo que ocurre si cambias del Rogers RO4003C al FR4 en la misma placa de 10 mil, manteniendo todas las demás dimensiones iguales.

El FR4 tiene una constante dieléctrica de 4,4, superior a la de 3,55 del RO4003C. Si conectas el FR4 con la misma traza de 5,2 milésimas de pulgada y el mismo espacio de 8 milésimas, la calculadora te da alrededor de 44 Ω en lugar de 50 Ω. Tendrías que ampliar la traza a unas 6,8 milésimas de pulgada para volver a alcanzar los 50 Ω.

El retraso de propagación también aumenta con el FR4 (aproximadamente 4,7 ns/m frente a 4,2 ns/m). Además, la pérdida del FR4 es mucho mayor en frecuencias altas, algo que no se capta en esta calculadora, pero es algo que debes tener en cuenta si trabajas a más de 2 GHz.

Entonces, ¿por qué alguien usa el FR4? Costo. Es más barato que Rogers, y si su aplicación no exige bajas pérdidas o una tolerancia de impedancia ajustada, está perfectamente bien. Sin embargo, para los trabajos de radiofrecuencia, el estándar es Rogers u otros materiales con bajas pérdidas.

La alúmina (96%) es otra opción: la constante dieléctrica de 9.6. Se usa en circuitos híbridos y aplicaciones de alta potencia. Con la misma geometría de trazo, la alúmina ofrece una impedancia mucho menor (necesitarías un trazo más estrecho o un espacio más amplio para alcanzar los 50 Ω). La alúmina también tiene excelentes propiedades térmicas, lo que es importante si estás disipando energía.

La brecha entre 50 Ω: una salida útil

Uno de los resultados que proporciona la calculadora es «Brecha para 50 Ω». Esto supone que has fijado el ancho de la traza y calcula el espacio que necesitas. Esto es realmente útil para iteraciones rápidas. Tienes un ancho de traza que te gusta (tal vez esté limitado por el ancho mínimo de línea de tu fábrica o por los requisitos actuales), y solo necesitas saber: ¿qué espaciado me da 50 Ω?

Esto te ahorra el proceso de prueba y error. Simplemente establezca el ancho de la traza, elija el sustrato y lea el espacio requerido. A continuación, compruebe si ese espacio se puede fabricar y si deja espacio para las vías que conectan los terrenos coplanares.

Errores y errores comunes

Olvidarse del grosor del cobre. La mayoría de la gente piensa que el cobre es infinitamente delgado, pero no lo es. El cobre de media onza (17,5 μm) frente a 1 onza (35 μm) frente a 2 onzas (70 μm) cambia la impedancia, especialmente en trazas estrechas. La calculadora tiene esto en cuenta, pero muchos cálculos manuales no lo hacen. Si la traza mide 3 milésimas de pulgada de ancho y estás usando cobre de 2 onzas, el conductor ya no es una línea delgada, es casi tan alta como ancha, y la distribución del campo cambia. Suponiendo que la impedancia del GCPW sea la misma que la del CPW. No lo es. La adición de un plano posterior cambia la constante dieléctrica efectiva. Si diseñas un trazado de CPW en una placa de prueba, lo mides y, a continuación, implementas la misma geometría que el GCPW en tu placa de producción, observarás un cambio de impedancia. Usa la calculadora para ambos casos y diseña el diseño teniendo en cuenta el tamaño real que vas a utilizar. Haciendo caso omiso de la variación en la altura del sustrato. El grosor del sustrato puede variar un ± 10% durante la fabricación. Si su diseño es ajustado (por ejemplo, con un objetivo de 50 Ω sin margen), un sustrato más grueso podría llevarlo a 48 Ω y uno más delgado a 52 Ω. Si el control de la impedancia es fundamental, añade márgenes o estructuras de ajuste (como trazos de ancho variable o conectores en serie). Mezcla el ancho del hueco y el ancho del trazo. La calculadora necesita ambos. La brecha es el espacio entre la traza de la señal y cada base coplanar. El ancho de la traza es el conductor de señal en sí. Es fácil cambiarlos accidentalmente en tu cabeza. Comprueba tus entradas antes de pulsar calcular. No se tiene en cuenta la ubicación mediante la colocación. El GCPW requiere una visa para conectar los terrenos coplanares superiores con el plano posterior. Si esas vías están demasiado separadas, se producen discontinuidades y ondulaciones de impedancia. Una buena regla general es utilizar un espaciado de λ /4 o más cerca en la frecuencia más alta. Para un diseño de 10 GHz, eso es aproximadamente 7,5 mm. Sin embargo, la calculadora no conoce tu patrón de vías, por lo que tienes que gestionarlo por separado. Olvidar la constante dieléctrica efectiva. La calculadora muestra esto, pero muchos ingenieros lo ignoran. La constante dieléctrica efectiva es inferior a la constante dieléctrica real del sustrato porque parte del campo está en el aire. Esto es importante cuando se calculan longitudes de onda o se diseñan estructuras resonantes. Utilice la constante dieléctrica efectiva para todos sus cálculos de RF, no la constante nominal del material.

Consejos prácticos de diseño

Una vez que hayas calculado la impedancia y la brecha, estas son las cosas que realmente importan en el diseño:

Mantén la base coplanaria continua. Las roturas o las secciones estrechas provocarán discontinuidades en la impedancia. Si tienes que trazar una vía o un componente cercano, desvíe suavemente el plano de tierra a su alrededor; no te limites a hacer un agujero y esperar.

En el caso del GCPW, coloca vías que conecten los terrenos superiores con el plano posterior cada 5 o 10 millas (según la frecuencia). Si son demasiado escasas, se acoplan al plano posterior; si son demasiado densas, se desperdicia espacio y cobre.

Haga coincidir la impedancia de rastreo en las uniones. Si vas a hacer la transición de un CPW de 50 Ω a un microstrip de 50 Ω, hazlo de forma gradual. Una esquina pronunciada o un cambio brusco de anchura provocarán reflejos. Disminuya el ángulo a lo largo de una distancia de al menos unos pocos milímetros.

Esté atento al acoplamiento a las trazas adyacentes. El CPW es mejor que el microstrip para rechazar el acoplamiento desde abajo (debido al plano posterior en el GCPW), pero sigue siendo vulnerable al acoplamiento de lado a lado con trazas de señal adyacentes. Si quieres un buen aislamiento, el espacio separa al menos entre 2 y 3 veces el ancho del espacio.

Cuándo usar la calculadora frente a la simulación

Esta calculadora es perfecta para diseñar e iterar rápidamente. Estás explorando diferentes opciones de sustratos, anchuras de trazo o huecos: ejecútala 10 veces en 5 minutos y reduce tus opciones.

Pero para la verificación final, especialmente en circuitos críticos, usa un solucionador de campo (como Sonnet, ADS o HFSS). La calculadora usa ecuaciones de forma cerrada que son precisas para geometrías típicas, pero pueden diferir si la estructura es inusual (trazos muy estrechos, cobre muy grueso o relaciones de aspecto extremas). Un solucionador de campos proporciona la distribución real de los campos y tiene en cuenta los efectos de arista que las ecuaciones podrían pasar por alto.

Además, la calculadora no incluye las pérdidas. Proporciona retardo de propagación e impedancia, pero no atenuación. Para ello, debe calcularlo por separado (utilizando la fórmula de pérdida del conductor y la tangente de pérdida dieléctrica) o utilizar un simulador.

Pruébalo tú mismo

Ve a la Calculadora de guía de ondas coplanar (CPW y GCPW) y conecta tu pila de placas. Empieza con el sustrato que elijas y, a continuación, ajusta el ancho y el espacio de la traza hasta que llegues a 50 Ω. Compruebe el retardo de propagación y la longitud de onda guiada: ¿tienen sentido para su aplicación? Intente cambiar a GCPW y compruebe cómo cambia la impedancia. Esta experimentación práctica es la forma más rápida de crear una intuición sobre cómo funciona realmente el diseño del CPW.

Si estás diseñando circuitos de RF, el CPW es una habilidad que vale la pena tener. Los cálculos son sólidos, la calculadora hace el trabajo pesado, y comprender las ventajas y desventajas entre el ancho de la traza, el espacio, el sustrato y la impedancia hará que seas un mejor ingeniero de diseño.