Guia de ondas coplanar versus microstrip: quando trocar

A versão de uma linha

O Microstrip afasta a corrente de retorno de uma espessura de substrato. O guia de ondas coplanar o coloca a uma distância da largura do espaço, na mesma camada. Em baixa frequência, ninguém se importa. Em algum lugar acima de alguns GHz, você começa a se importar muito.

Por que o posicionamento do caminho de retorno é importante

Cada sinal precisa de um retorno. Na microfita, esse retorno corre no plano abaixo, separado pela espessura do laminado — 0,5 mm, 1,6 mm, qualquer que seja o empilhamento. O loop entre o sinal e o retorno é definido pela placa, não por você.

As mãos do CPW que controlam de volta. O terreno fica ao lado do traçado, separado por uma lacuna que você escolher. Quer um confinamento de campo mais rígido? Diminua a lacuna. O circuito encolhe, a radiação diminui e o acoplamento a qualquer outra coisa que esteja na placa diminui com ele.

Há uma segunda consequência que as pessoas notam mais cedo: os componentes de derivação ficam fáceis. Em microfita, aterrar um capacitor de derivação significa uma via, e essa via tem uma indutância que você precisa modelar. No CPW, o solo está ali mesmo, a algumas centenas de mícrons de distância. As peças de derivação são montadas quase sem indutância parasitária. Se você já buscou uma rede correspondente que funcionasse em simulação e não na bancada, a via indutância provavelmente fez parte da história.

A fórmula e por que parece estranha

A impedância CPW vem do mapeamento conforme. Transforme a seção transversal e a estranha geometria de três condutores se torna um capacitor de placa paralela, que fornece:

$K$ é a integral elíptica completa do primeiro tipo. Não deixe que isso o desencoraje — é uma função bem comportada e qualquer ferramenta decente a avalia com a média aritmética-geométrica em cerca de cinco iterações.

A parte interessante é o que está faltando. Sem altura do substrato. Para um CPW ideal em um substrato espesso, a impedância depende apenas da proporção $W/(W+2G)$. Escale toda a seção transversal para cima ou para baixo e o $ Z_0$não se move.

Isso é genuinamente diferente da microfita, em que a espessura é a variável dominante. Isso também significa que o CPW é dimensionado de forma limpa: a mesma relação largura/espaço fornece a mesma impedância a 1 mm e a 100 µm.

CPW aterrado e a armadilha nele

Ninguém constrói sobre um substrato infinitamente espesso. A maioria dos projetos adiciona um avião do outro lado por motivos mecânicos e térmicos, e agora você tem o CPW — GCPW aterrado, ou CPW apoiado por condutor, dependendo do artigo que você está lendo.

O plano de apoio puxa o campo para dentro do substrato. A permissividade efetiva aumenta, a impedância diminui:

Aqui está uma verificação que vale a pena fazer em qualquer ferramenta de CPW que você usa. Empurre a altura do substrato para cima. À medida que o $h$ cresce,$k_3 \to k $,$ q \to 1$e a coisa toda devem cair para $\varepsilon_{r,eff} = (1+\varepsilon_r)/2$— a resposta infundada. Se uma calculadora não convergir para isso, seu fator de preenchimento está errado, assim como tudo a jusante.

A armadilha

O CPW aterrado só se comporta como o CPW, enquanto os terrenoscoplanar dominam. Deixe a lacuna crescer muito mais do que a altura do substrato e, em vez disso, a maior parte do campo termine no plano de apoio. Nesse ponto, você tem uma microfita com duas tiras inúteis de cobre de cada lado e sua fórmula de CPW está errada em dezenas de por cento.

Regra prática: mantenha o $G \lesssim h$. Se sua lacuna for três vezes a altura do substrato, pare de chamá-la de CPW.

A espessura do cobre é mais importante do que você esperava

Essa é a parte que a maioria das calculadoras erra, e é mais difícil exatamente onde o CPW é mais útil: lacunas estreitas.

A espessura finita do metal faz duas coisas distintas:

1. Ele amplia a faixa e reduz a lacuna. O padrão, bem documentado, reduz o $Z_0$ em alguns por cento em 1 onça de cobre.
2. Adiciona capacitância à parede lateral. A parede lateral da faixa está voltada para a parede lateral do solo através da abertura — e essa capacitância fica acima da superfície do substrato, no ar.

O segundo é o que passa despercebido. Como a capacitância adicionada está no ar, ela aumenta as capacitâncias cheias de ar e de substrato na mesma quantidade absoluta, o que puxa $\varepsilon_{r,eff}$para baixo.

Quanto? Comparamos com um solucionador de campo eletrostático 2D. Com 1 onça de cobre em uma lacuna de 0,3 mm, é cerca de 3,5%. Com 2 onças em uma lacuna de 0,15 mm, é mais de 13%. Uma fórmula de espessura zero perde tudo isso, e o erro flui diretamente para o atraso de propagação e o comprimento de onda guiado — portanto, sua correspondência de comprimento está errada na mesma fração.

Se você estiver fazendo algo em que o atraso seja importante, isso não é um erro de arredondamento.

As vias de costura não são opcionais

Os terrenos coplanares e o plano de apoio formam uma cavidade de placa paralela. Deixe-os conectados apenas nas bordas da placa e essa cavidade ressoará em algum lugar, geralmente em algum lugar inconveniente. Ele aparece como uma saída nítida e inexplicável no S21 que se move quando você muda o tamanho da placa — o que na verdade é um bom diagnóstico, porque uma ressonância de circuito real não o faria.

Costure os dois lados da linha com vias de aterramento, espaçadas não mais que λ/20 na maior frequência de interesse. Aperte os lançamentos próximos ao conector e qualquer outra descontinuidade. λ/40 não há paranóia.

Então, quando você realmente muda?

Use o CPW quando:

• Você está acima de aproximadamente 10 GHz e a radiação e a dispersão começam a doer.
• O substrato é espesso o suficiente para que uma microfita de 50 Ω precise de um traço impraticavelmente largo.
• Você tem componentes de derivação no caminho do sinal e, via indutância, está consumindo seu fósforo.
• Você está se lançando em um conector — as bases coplanares se alinham naturalmente com os contatos externos do conector, o que torna a transição muito mais limpa.

Fique com o microstrip quando:

• O substrato é fino, abaixo de cerca de 0,2 mm. O plano de apoio domina independentemente da lacuna, então você obtém o comportamento da microfita, além de restrições extras de fabricação.
• A tolerância de folga do seu fabricante é fraca. A impedância CPW depende da relação da largura em relação à lacuna, portanto, a tolerância à corrosão atinge você duas vezes.
• Nada no design precisa disso. O CPW custa a área da placa para os terrenos coplanares e adiciona um requisito de costura. Se o microstrip funcionar, use o microstrip.

Notas práticas

Mantenha a proporção constante. Em cada transição de afunilamento, dobra e almofada, segure $W/G$. É isso que preserva a impedância — não as dimensões absolutas. Enfiar o condutor central sem estreitar a lacuna é uma descontinuidade, mesmo que o traço “pareça” contínuo. Vá tão longe quanto sua tolerância de folga permitir. A perda de condutor diminui com a largura, e uma tolerância fixa à corrosão é uma fração menor de uma característica mais ampla. Observe a rugosidade da superfície em laminados de baixa perda. O CPW concentra a corrente nas bordas da abertura, portanto, a rugosidade da borda custa mais do que na microfita. Se você comprou um laminado caro por sua tangente de perda, não devolva o ganho através do perfil de cobre.

Calcule os números com a calculadora de guia de onda coplanar — ela lida com o CPW e o CPW aterrado, inclui o efeito da espessura do cobre na impedância e permissividade efetiva e indica a lacuna que atinge 50 Ω para qualquer largura central escolhida.