Guide d'ondes coplanaire ou microruban : quand changer

La version en une ligne

Le microruban éloigne le courant de retour de l'épaisseur du substrat. Le guide d'ondes coplanaire le place à une largeur d'espace, sur la même couche. À basse fréquence, personne ne s'en soucie. Quelque part au-dessus de quelques GHz, vous commencez à vous en soucier beaucoup.

Pourquoi le placement du chemin de retour est important

Chaque signal a besoin d'un retour. Dans le microruban, le retour se fait dans le plan situé en dessous, en fonction de l'épaisseur de votre laminé : 0,5 mm, 1,6 mm, selon l'épaisseur de votre laminé, selon l'épaisseur de votre laminé. La boucle entre le signal et le retour est définie par la carte, pas par vous.

Le CPW redonne le contrôle. Le terrain se trouve à côté de la piste, séparé par un espace de votre choix. Vous voulez un confinement plus strict sur le terrain ? Réduisez l'écart. La boucle se rétrécit, le rayonnement chute et le couplage avec tout ce qui se trouve sur la carte diminue avec elle.

Il y a une deuxième conséquence que les gens remarquent plus tôt : les composants du shunt deviennent faciles. Sur un microruban, la mise à la terre d'un condensateur shunt signifie un via, et ce via a une inductance que vous devez modéliser. Sur CPW, le sol est juste là, à quelques centaines de microns. Les pièces du shunt se montent avec pratiquement aucune inductance parasite. Si vous avez déjà recherché un réseau correspondant qui fonctionnait en simulation et non sur le banc, la via inductance faisait probablement partie de l'histoire.

La formule et pourquoi elle semble étrange

L'impédance CPW provient d'une cartographie conforme. Transformez la section transversale et la géométrie délicate des trois conducteurs devient un condensateur à plaques parallèles, ce qui vous donne :

$K$ est l'intégrale elliptique complète du premier type. Ne vous laissez pas décourager : c'est une fonction qui se comporte bien et tout outil décent l'évalue à l'aide de la moyenne arithmétique-géométrique en cinq itérations environ.

Ce qui est intéressant, c'est ce qui manque. Aucune hauteur de substrat. Pour un CPW idéal sur un substrat épais, l'impédance dépend uniquement du ratio $W/(W+2G)$. Redimensionnez toute la section transversale vers le haut ou vers le bas et le $ Z_0$ne bouge pas.

C'est vraiment différent du microruban, où l'épaisseur est la variable dominante. Cela signifie également que le CPW évolue proprement : le même rapport largeur/écart donne la même impédance à 1 mm qu'à 100 µm.

Un CPW mis à la terre et son piège

Personne ne construit sur un substrat d'une épaisseur infinie. La plupart des modèles ajoutent un plan sur la face opposée pour des raisons thermiques et mécaniques, et maintenant vous avez un CPW — GCPW mis à la terre, ou un CPW à support conducteur, selon le papier que vous lisez.

Le plan de support entraîne le champ vers le bas dans le substrat. La permittivité effective augmente, l'impédance diminue :

Voici une vérification qui vaut la peine d'être effectuée sur n'importe quel outil CPW que vous utilisez. Poussez la hauteur du substrat vers le haut. Au fur et à mesure que le $h$ grandit,$k_3 \to k $,$ q \to 1$, et le tout devrait se réduire à $\varepsilon_{r,eff} = (1+\varepsilon_r)/2$, la réponse non fondée. Si une calculatrice ne converge pas vers cela, son facteur de remplissage est erroné, tout comme tout ce qui se trouve en aval.

Le piège

Le CPW ancré ne se comporte comme le CPW que lorsque les motifs coplanaires dominent. Laissez l'espace s'élargir beaucoup plus que la hauteur du substrat et la majeure partie du champ se terminera plutôt sur le plan de support. À ce stade, vous avez un microruban avec deux bandes de cuivre inutiles de chaque côté, et votre formule CPW est erronée de plusieurs dizaines de pour cent.

Règle générale : respectez le $G \lesssim h$. Si votre espace est trois fois supérieur à la hauteur du substrat, arrêtez de l'appeler CPW.

L'épaisseur du cuivre est plus importante que ce à quoi vous vous attendez

C'est la partie que la plupart des calculatrices se trompent, et c'est exactement là où le CPW est le plus utile, à savoir les écarts serrés.

L'épaisseur finie du métal a deux fonctions distinctes :

1. Cela élargit la bande et réduit l'écart. Standard, bien documenté, abaisse le $Z_0$ de quelques pour cent à 1 once de cuivre.
2. Cela augmente la capacité des parois latérales. La paroi latérale de la bande fait face à la paroi latérale du sol à travers l'espace, et cette capacité se situe audessus de la surface du substrat, dans l'air.

Le second est ce qui est oublié. Comme la capacité ajoutée se trouve dans l'air, elle augmente les capacités remplies d'air et de substrat de la même quantité absolue, ce qui réduit le $\varepsilon_{r,eff}$vers le bas.

Combien ? Nous avons vérifié par rapport à un solveur de champ électrostatique 2D. À 1 once de cuivre sur un espace de 0,3 mm, c'est environ 3,5 %. À 2 oz sur un écart de 0,15 mm, c'est plus de 13 %. Une formule d'épaisseur nulle ne tient pas compte de tout cela, et l'erreur se répercute directement sur le délai de propagation et la longueur d'onde guidée. Votre correspondance de longueur est donc erronée d'une fraction.

Si vous faites quoi que ce soit où le retard est important, il ne s'agit pas d'une erreur d'arrondissement.

Les vias de couture ne sont pas facultatifs

Les fonds coplanaires et le plan de support forment une cavité à plaques parallèles. Laissez-les connectés uniquement sur les bords de la planche et cette cavité résonnera quelque part, généralement dans un endroit peu pratique. Cela se traduit par une forte aspiration inexpliquée dans le S21 qui bouge lorsque vous changez de taille de carte, ce qui est en fait un bon diagnostic, car un véritable circuit de résonance ne le ferait pas.

Cousez les deux côtés de la ligne avec des trous de terre, espacés d'au plus λ/20 à la fréquence la plus élevée qui vous intéresse. Resserrez ce connecteur situé à proximité des lancements et de toute autre discontinuité. λ/40, il n'y a pas de paranoïaque.

Alors, quand changez-vous réellement ?

Utilisez CPW lorsque :

• Vous êtes au-dessus de 10 GHz environ et le rayonnement et la dispersion commencent à faire mal.
• Le substrat est suffisamment épais pour qu'un microruban de 50 Ω nécessite une trace d'une largeur peu pratique.
• Vous avez des composants de shunt sur le trajet du signal et l'inductance vous fait perdre votre match.
• Vous vous lancez dans un connecteur : les masses coplanaires s'alignent naturellement avec les contacts extérieurs du connecteur, ce qui permet une transition beaucoup plus propre.

Utilisez le microruban lorsque :

• Le substrat est mince, inférieur à 0,2 mm environ. Le plan de support domine quel que soit l'écart, ce qui vous permet d'obtenir le comportement des microrubans ainsi que des contraintes de fabrication supplémentaires.
• La tolérance d'écart de votre fabricant est faible. L'impédance CPW dépend du rapport entre la largeur et l'écart, de sorte que la tolérance de gravure vous atteint deux fois.
• Rien dans le design n'en a besoin. Le CPW réduit la surface de la planche pour les motifs coplanaires et ajoute une exigence de couture. Si le microruban fonctionne, utilisez un microruban.

Notes pratiques

Maintenez le ratio constant. À chaque transition de cône, de pli et de tampon, maintenez $W/G$. C'est ce qui préserve l'impédance, pas les dimensions absolues. Le fait de reculer le conducteur central sans rétrécir l'espace constitue une discontinuité, même si la trace « semble » continue. Élargissez autant que votre tolérance d'espacement le permet. La perte de conducteur diminue avec la largeur, et une tolérance de gravure fixe ne représente qu'une fraction plus petite d'une caractéristique plus large. Surveillez la rugosité de la surface des stratifiés à faibles pertes. Le CPW concentre le courant sur les bords des interstices, de sorte que la rugosité des bords coûte plus cher que dans les microrubans. Si vous avez acheté un stratifié coûteux pour sa tangente aux pertes, ne remboursez pas le gain grâce à un profilé en cuivre.

Exécutez les chiffres à l'aide du calculateur de guide d'ondes coplanaire. Il gère à la fois le CPW et le CPW mis à la terre, inclut l'effet d'épaisseur de cuivre sur l'impédance et la permittivité effective, et vous indique l'écart qui se situe sur 50 Ω pour la largeur centrale que vous avez choisie.