La pérdida de su vía no está en el barril

El cobre que no transmite ninguna señal

Una vía es un tramo corto de barril metalizado. A 20 GHz, 1,6 mm de él no cuestan casi nada: haga los números con un barril de 0,25 mm en FR4 y la pérdida dieléctrica sale en 0,119 dB y la del conductor en como mucho 0,011 dB. Menos de un sexto de decibelio para toda la transición.

Luego mire lo que la misma vía le hace realmente a un canal: 2,25 dB en el extremo superior de una banda de 0,1–20 GHz.

Los dos decibelios que faltan no están en el cañón. Están en la parte del cañón que no contiene nada.

¿De dónde viene el talón

Se perfora una vía pasante en toda la placa. Si la señal entra por la parte superior y sale por una capa interior, el revestimiento que se encuentra debajo de esa capa sigue ahí, sigue conectado y sigue formando parte eléctricamente de la estructura. No transmite ninguna señal. Es un talón.

Entra por la parte superior de una placa de 1,6 mm y sale a 0,4 mm, y un cañón de 1,2 mm cuelga del conducto a modo de línea de transmisión de circuito abierto. Su admitancia de entrada es $jY_0\tan(\beta l)$, y una admitancia en derivación $Y$ a través de una línea de impedancia $Z$ da

Cuando el stub llega a un cuarto de longitud de onda, esa tangente tiende a infinito y $S_{21}$ a cero. Una muesca. En el ejemplo anterior cae en 30,48 GHz si se ignoran los planos: por encima de la banda, pero su falda no, y de la falda salen esos dos decibelios.

La pérdida dentro del talón es lo que hace que la muesca sea finita en lugar de infinita. Sin ella, la expresión diverge, cosa que no ocurre con ninguna medición.

Extracción inversa, cuantificada

Ponga la profundidad de salida en todo el grosor de la placa (una vía que sale por abajo, o una retroperforada) y el stub desaparece junto con la resonancia. La peor pérdida de inserción dentro de la banda baja de 2,25 dB a 0,13 dB.

Ese es el caso completo de la perforación inversa en una comparación. No estás eliminando la pérdida de la vía. Estás quitando un resonador.

Que valga la pena el costo depende de dónde se encuentre la resonancia en relación con su banda. Si profundizas en la transición, el botón se acorta y la resonancia aumenta; un cable de 0,4 mm en la misma placa resuena cerca de los 91 GHz y es irrelevante para cualquier cosa que vayas a hacer. Mover la asignación de capas es gratis. La perforación inversa no lo es.

Por qué la calculadora no da la impedancia de la vía

La calculadora daba antes la impedancia diferencial del par a partir de un modelo cerrado: una capacidad coaxial de cada barril a su antipad más una capacidad de dos hilos entre los barriles. Una solución de campo mostró que ese modelo daba aproximadamente la mitad del valor real.

Resuelto en tres dimensiones con los planos que atraviesa la vía en su sitio, y contrastado con una simulación de onda completa, el mismo par de 0,25 mm en un antipad de 0,9 mm tiene 85,6 Ω cuando los planos están separados 0,1 mm y 96,0 Ω cuando lo están 1,0 mm. Los planos son transversales a los barriles: añaden capacidad en cada borde de orificio pero apenas cambian la inductancia, así que la impedancia depende de lo densos que estén apilados, y la separación de los planos no es una de las dimensiones de la vía.

En tres geometrías de referencia, la impedancia resuelta abarca una relación de hasta 1,31 en ese rango de separación de planos, de modo que ninguna fórmula basada solo en el barril, el antipad y el paso puede quedar dentro del 10 % en todos los casos. Por eso la calculadora no indica ninguna impedancia. Para la cifra, introduzca su apilamiento real en la herramienta de onda completa.

El stub es más lento de lo que parece

La misma solución de campo dice algo sobre el stub. Como los planos cargan el barril capacitivamente, la onda viaja más despacio que $c/\sqrt{\varepsilon_r}$: su permitividad efectiva es de 1,17 a 1,86 veces $\varepsilon_r$. La resonancia de cuarto de onda $c/(4L\sqrt{\varepsilon_r})$ es, por tanto, una cota superior. Para esta vía el stub resuelto resuena cerca de 26,3 GHz en lugar de 30,48 GHz, y la peor pérdida dentro de la banda sube a unos 3,4–4,1 dB.

Así que lea la resonancia de la calculadora como lo más alto que puede estar la muesca, y su peor pérdida como tomada en esa resonancia sin carga. Si la cota ya cae dentro de su banda, la muesca real cae más adentro todavía.

Qué es y qué no es este modelo

Es un modelo concentrado de cribado. La carga del stub se deduce del $S_{21}$ de una admitancia en paralelo, y la pérdida del conductor está acotada en el límite de planos densos, con cada barril dentro de su propia pared coaxial: $Z_{dense} = \frac{\eta_0}{\pi\sqrt{\varepsilon_r}}\ln(D/d)$, 74,95 Ω aquí y por debajo de toda impedancia resuelta. Lo que no incluye: las corrientes radiales en los planos, la capacidad de los pads, las resonancias de la cavidad entre planos y la discontinuidad donde la pista se une a la vía.

Una transición de vía real es tridimensional y ninguna de ellas es pequeña. Utilícela para decidir si una geometría merece una simulación de onda completa y, a continuación, ejecute una. La herramienta de parámetros S de FDTD de este sitio resuelve la estructura real.

Conviene nombrar un límite de forma explícita. Que los dos antipads se fundan en una sola abertura o queden separados, con cobre de los planos entre los barriles, cambia el acoplamiento entre ellos. Esa es parte de la razón por la que la impedancia necesita su apilamiento y una solución de campo en lugar de una fórmula; la resonancia del stub y la pérdida no dependen de ello.

Qué comprobar, en orden

Fíjate primero en cómo resuena tu banda. Si está muy por encima, la transición puede ir bien, ya que el empate es dinero que no necesitas gastar.

Si está dentro o cerca, intenta mover la transición a una capa más profunda antes de recurrir a una perforación posterior. Tubo más corto, mayor resonancia, sin pasos de proceso adicionales.

Después obtenga la impedancia diferencial de la vía con una simulación de onda completa de su apilamiento y compárela con la impedancia de su pista. El canal ve el desajuste, no el valor absoluto.

Y si la respuesta está cerca de un límite, simule la respuesta. Un modelo de evaluación que te dice que algo es marginal ha hecho su trabajo diciéndote que dejes de confiar en ello.