Conception CPW et GCPW : compromis entre impédance et disposition

Pourquoi le guide d'ondes coplanaire est important

Le guide d'ondes coplanaire (CPW) est omniprésent dans la conception RF. Vous pouvez le voir sur les cartes numériques à haut débit, les circuits à ondes millimétriques et partout où un ingénieur a besoin d'un contrôle d'impédance strict sans percer une tonne de vias. Contrairement au microruban, où le chemin de retour se trouve sur une couche séparée, le CPW conserve tout sur un côté de la carte : la trace du signal et les plans de masse coexistent sur la même surface.

Le compromis est cependant réel. CPW est plus sensible aux détails de mise en page. Un écart imparfait, un segment de plan de masse manquant ou un mauvais choix de substrat détruiront votre impédance et introduiront un couplage indésirable. C'est là que les mathématiques prennent de l'importance, et c'est pourquoi avoir une calculatrice fiable vaut mieux que d'essayer de mémoriser des formules.

Comprendre le CPW par rapport au GCPW

Il y a deux saveurs à comprendre. Le CPW ordinaire possède des plans de masse coplanaires de chaque côté de la trace du signal, aucun plan de support en dessous. Il est plus simple à fabriquer et convient à de nombreuses applications, mais les champs s'étendent plus loin dans l'espace situé sous la carte.

Le CPW mis à la terre (GCPW) ajoute un plan de masse sur la couche arrière, directement sous la trace du signal. Cela permet de confiner les champs de manière beaucoup plus étroite, de réduire le rayonnement et d'améliorer l'isolation entre les couches. GCPW est la valeur par défaut moderne pour les travaux RF sérieux. L'inconvénient : vous avez besoin de plus de vias pour relier les plans de masse supérieur et inférieur, et la fabrication est légèrement plus complexe.

Lequel choisis-tu ? GCPW si vous vous intéressez à la diaphonie, au blindage ou au fonctionnement au-dessus de quelques GHz. CPW si vous êtes limité dans l'espace ou si vous travaillez à des fréquences plus basses où le confinement du champ est moins important.

L'équation d'impédance

L'impédance caractéristique du CPW dépend de la géométrie du conducteur et de la constante diélectrique du substrat. La formule exacte est complexe — elle implique des intégrales elliptiques — mais la calculatrice s'en charge pour vous. Ce qui compte, c'est de comprendre ce qui fait bouger l'aiguille.

L'augmentation de l'écart entre la trace du signal et les bases coplanaires augmente l'impédance. Des traces de signal plus larges l'abaissent. Une constante diélectrique plus élevée réduit l'impédance. Ces relations ne sont pas linéaires, c'est pourquoi la simulation ou une calculatrice sont plus efficaces que les mathématiques classiques.

Pour le GCPW, la hauteur du substrat joue également un rôle. Un substrat plus épais réduit le couplage avec le plan arrière et modifie la constante diélectrique effective, ce qui modifie l'impédance. Il s'agit d'un problème courant : vous ne pouvez pas simplement copier un dessin CPW sur une autre pile de cartes et vous attendre à la même impédance.

Exemple concret : conception d'un CPW de 50 Ω pour une carte LNA 5 GHz

Supposons que vous acheminez des traces sur une carte Rogers RO4003C (constante diélectrique 3,55) avec une hauteur de substrat de 10 mil et une once de cuivre. Vous voulez une ligne de transmission de 50 Ω et vous disposez d'environ 8 miles d'espace pour travailler.

Tout d'abord, décidez : CPW pur ou GCPW ? Vous construisez une LNA, donc le GCPW est logique. Le plan arrière aidera à protéger le réseau d'entrée sensible du bruit sur les autres couches.

Ouvrez le Calculateur de guide d'ondes coplanaire (CPW & GCPW). Set :

• Structure : CPW mis à la terre (GCPW)
• Hauteur du substrat : 0,254 mm (10 mil)
• Constante diélectrique : Rogers RO4003C (3,55)
• Épaisseur du cuivre : 1 oz (35 μm)
• Largeur du conducteur central : commencez par 5 mils
• Écart par rapport au sol coplanaire : 8 mils

Appuyez sur Calculer. Vous obtiendrez quelque chose comme 48 Ω, presque mais pas tout à fait 50. Réglez la largeur du conducteur central à 5,2 mils et recalculez. Vous êtes maintenant à 50,1 Ω. C'est ton objectif.

Notez que le calculateur vous indique également la constante diélectrique effective (environ 2,8 pour cette configuration) et la longueur d'onde guidée à 1 GHz (environ 107 mm). Ces éléments sont importants lorsque vous effectuez une mise en page : la longueur d'onde guidée vous indique approximativement la longueur d'un tronçon en quart d'onde, par exemple.

Voici maintenant la partie critique : le délai de propagation. Pour cette trace, c'est environ 4,2 ns/m. Si vous avez une trace de 50 mm, cela représente 210 ps de retard. Sur un système 5 GHz, cela représente environ 1 longueur d'onde de déphasage. Si vous faites correspondre des impédances ou si vous réglez des relations de phase, vous devez connaître ce nombre.

La sélection du substrat et son impact

Les différents substrats changent tout. Comparons ce qui se passe si vous passez du Rogers RO4003C au FR4 sur la même carte de 10 mil, en conservant les mêmes dimensions.

Le FR4 a une constante diélectrique de 4,4, soit plus que celle de 3,55 du RO4003C. En branchant le FR4 avec la même trace de 5,2 mil et le même écart de 8 mil, le calculateur vous donne environ 44 Ω au lieu de 50 Ω. Vous devrez élargir la trace à environ 6,8 mils pour atteindre à nouveau 50 Ω.

Le délai de propagation augmente également avec FR4 (environ 4,7 ns/m contre 4,2 ns/m). Et la perte du FR4 est beaucoup plus élevée aux hautes fréquences, ce qui n'est pas pris en compte dans ce calculateur, mais il faut en tenir compte si vous travaillez au-dessus de 2 GHz.

Pourquoi est-ce que quelqu'un utilise FR4 alors ? Coût. C'est moins cher que Rogers, et si votre application n'exige pas de faibles pertes ou une tolérance d'impédance stricte, c'est parfaitement bien. Mais pour les travaux RF, Rogers ou d'autres matériaux à faibles pertes sont la norme.

L'alumine (96 %) est une autre option : constante diélectrique 9,6. Il est utilisé dans les circuits hybrides et les applications à haute puissance. Avec la même géométrie de trace, l'alumine vous donne une impédance beaucoup plus faible (il faudrait une trace plus étroite ou un espace plus large pour atteindre 50 Ω). L'alumine possède également d'excellentes propriétés thermiques, ce qui est important si vous dissipez de l'énergie.

L'écart pour 50 Ω : une sortie utile

L'une des sorties fournies par la calculatrice est « Écart pour 50 Ω ». Cela suppose que vous avez défini la largeur de trace et l'écart dont vous avez besoin est calculé. C'est vraiment utile pour les itérations rapides. Vous avez une largeur de trace qui vous plaît (elle est peut-être limitée par la largeur de ligne minimale de votre usine ou par les exigences de transport de courant), et vous avez juste besoin de savoir : quel espacement me donne 50 Ω ?

Cela vous évite de faire des essais et des erreurs. Il vous suffit de régler la largeur de votre trace, de choisir votre support et de lire l'écart requis. Vérifiez ensuite si cet espace est manufacturable et s'il laisse de la place pour des vias reliant les sols coplanaires.

Erreurs et pièges courants

Oublier l'épaisseur du cuivre. La plupart des gens pensent que le cuivre est infiniment fin, mais ce n'est pas le cas. Une demi-once de cuivre (17,5 μm) contre 1 once (35 μm) contre 2 onces (70 μm) modifie l'impédance, en particulier sur les traces étroites. La calculatrice en tient compte, mais de nombreux calculs manuels ne le font pas. Si votre tracé mesure 3 mils de large et que vous utilisez 2 oz de cuivre, le conducteur n'est plus une fine ligne : il est presque aussi haut que large et la distribution du champ change. En supposant que l'impédance du GCPW soit la même que celle du CPW. Ce n'est pas le cas. L'ajout d'un plan arrière modifie la constante diélectrique effective. Si vous concevez un tracé CPW sur une carte de test, que vous le mesurez, puis que vous implémentez la même géométrie que le GCPW sur votre carte de production, vous constaterez un décalage d'impédance. Utilisez la calculatrice pour les deux cas et concevez l'empilement réel que vous utiliserez. Ignorer les variations de hauteur du substrat. L'épaisseur du substrat peut varier de ± 10 % lors de la fabrication. Si votre conception est étroite (par exemple, si vous visez 50 Ω sans marge), un substrat plus épais peut vous pousser à 48 Ω et un substrat plus fin à 52 Ω. Ajoutez des marges ou des structures de réglage (telles que des traces à largeur variable ou des tronçons de série) si le contrôle de l'impédance est essentiel. Mélanger l'écart et la largeur du trace. La calculatrice a besoin des deux. L'écart est l'espace entre la trace du signal et chaque masse coplanaire. La largeur de trace est le conducteur du signal lui-même. Il est facile de les échanger accidentellement dans votre tête. Vérifiez vos entrées avant de cliquer sur Calculer. Non pris en compte le placement des vias Le GCPW nécessite des vias pour relier le sol coplanaire supérieur au plan arrière. Si ces vias sont trop éloignés les uns des autres, vous obtenez des discontinuités et une ondulation d'impédance. Une bonne règle de base consiste à utiliser un espacement de λ/4 ou moins à votre fréquence la plus élevée. Pour une conception à 10 GHz, cela représente environ 7,5 mm. Mais le calculateur ne connaît pas votre profil d'emprunts : vous devez le gérer séparément. Oublier la constante diélectrique efficace. Le calculateur le montre, mais de nombreux ingénieurs l'ignorent. La constante diélectrique effective est inférieure à la constante diélectrique réelle du substrat car une partie du champ est dans l'air. Cela est important lorsque vous calculez des longueurs d'onde ou concevez des structures résonnantes. Utilisez la constante diélectrique effective pour tous vos calculs RF, et non la constante nominale du matériau.

Conseils pratiques de mise en page

Une fois que vous avez calculé votre impédance et votre écart, voici les éléments qui comptent réellement pour la mise en page :

Gardez les bases coplanaires continues. Les ruptures ou les sections étroites provoqueront des discontinuités d'impédance. Si vous devez faire passer un via ou un composant à proximité, contournez le plan du sol en douceur. Ne vous contentez pas de percer un trou en espérant.

Pour le GCPW, placez des vias reliant le sol supérieur au plan arrière tous les 5 à 10 miles (selon la fréquence). Trop clairsemé, vous obtenez un couplage au plan arrière ; trop dense, vous perdez de l'espace et du cuivre.

Faites correspondre l'impédance des traces aux jonctions. Si vous passez d'un microruban CPW de 50 Ω à un microruban de 50 Ω, faites-le progressivement. Un angle aigu ou un changement brusque de largeur provoqueront des reflets. Réduisez la taille sur une distance d'au moins quelques millimètres.

Surveillez le couplage avec des traces adjacentes. Le CPW est meilleur que le microruban pour rejeter le couplage par le bas (à cause du plan arrière du GCPW), mais il reste vulnérable au couplage côte à côte avec des traces de signal adjacentes. L'espace sépare les espaces d'au moins 2 à 3 fois la largeur de l'espace si vous voulez une bonne isolation.

Quand utiliser la calculatrice par rapport à la simulation

Cette calculatrice est parfaite pour une conception et une itération rapides. Vous êtes en train d'explorer différentes options de substrat, de largeurs de trace ou d'interstices : exécutez-le 10 fois en 5 minutes et affinez vos choix.

Mais pour la vérification finale, en particulier sur les circuits critiques, utilisez un solveur de terrain (comme Sonnet, ADS ou HFSS). Le calculateur utilise des équations de forme fermée qui sont précises pour les géométries typiques, mais elles peuvent diverger si votre structure est inhabituelle (traces très étroites, cuivre très épais ou rapports d'aspect extrêmes). Un solveur de champ vous donne la distribution réelle des champs et prend en compte les effets de bord que les équations peuvent ignorer.

De plus, le calculateur n'inclut pas les pertes. Il vous donne un délai de propagation et une impédance, mais pas d'atténuation. Pour cela, vous devez soit le calculer séparément (en utilisant la formule de perte de conducteur et la tangente de perte diélectrique), soit utiliser un simulateur.

Essayez-le vous-même

Rendez-vous sur le Coplanar Waveguide Calculator (CPW & GCPW) et branchez votre stack de cartes. Commencez par le choix du substrat, puis ajustez la largeur de la trace et l'écart jusqu'à atteindre 50 Ω. Vérifiez le délai de propagation et la longueur d'onde guidée : sont-ils adaptés à votre application ? Essayez de passer au GCPW et observez comment l'impédance change. Cette expérimentation pratique est le moyen le plus rapide de développer une intuition quant au fonctionnement réel de la conception CPW.

Si vous concevez des circuits RF, le CPW est une compétence qui vaut la peine d'être acquise. Les calculs sont solides, la calculatrice fait le gros du travail, et comprendre les compromis entre la largeur des traces, l'écart, le substrat et l'impédance fera de vous un meilleur ingénieur de mise en page.