A perda da sua via não está no barril

O cobre que não carrega nenhum sinal

Uma via é um pedaço curto de barril metalizado. A 20 GHz, 1,6 mm dele custam quase nada: faça as contas para um barril de 0,25 mm em FR4 e a perda dielétrica fica em 0,119 dB e a perda no condutor em no máximo 0,011 dB. Menos de um sexto de decibel para toda a transição.

Depois veja o que a mesma via realmente faz com um canal: 2,25 dB no topo de uma banda de 0,1–20 GHz.

Os dois decibéis que faltam não estão no barril. Eles estão na parte do barril que não carrega nada.

De onde vem o esboço

Um orifício de passagem é perfurado em toda a placa. Se o sinal entrar pela parte superior e sair por uma camada interna, o revestimento abaixo dessa camada ainda estará lá, ainda conectado e ainda faz parte eletricamente da estrutura. Ele não carrega nenhum sinal. É um esboço.

Entre na parte superior de uma placa de 1,6 mm e saia em 0,4 mm, e 1,2 mm de cilindro fica pendurado no caminho de passagem como uma linha de transmissão de circuito aberto. Sua admissão de entrada é $jY_0\tan(\beta l)$, e uma admissão de derivação $Y$ em uma linha de impedância $Z$ fornece

Quando o stub chega a um quarto de comprimento de onda, essa tangente vai ao infinito e $S_{21}$ vai a zero. Um entalhe. No exemplo acima, ele cai em 30,48 GHz se os planos forem ignorados — acima da banda, mas sua saia não, e é da saia que vêm esses dois decibéis.

A perda dentro do talão é o que mantém o entalhe finito em vez de infinito. Sem ela, a expressão diverge, o que nenhuma medida faz.

Perfuração retroativa, quantificada

Ajuste a profundidade de saída para toda a espessura da placa — uma via que sai por baixo, ou que foi retroperfurada — e o stub desaparece junto com a ressonância. A pior perda de inserção dentro da banda cai de 2,25 dB para 0,13 dB.

Esse é o caso completo do backdrilling em uma comparação. Você não está removendo a perda da via. Você está removendo um ressonador.

Se vale a pena o custo depende de onde está a ressonância em relação à sua banda. Aprofunde a transição e o talão encurtará e a ressonância aumentará; um talão de 0,4 mm na mesma placa ressoa perto de 91 GHz e é irrelevante para qualquer coisa que você provavelmente esteja fazendo. A movimentação da atribuição da camada é gratuita. O backdrilling não é.

Por que a calculadora não dá a impedância da via

A calculadora informava antes a impedância diferencial do par a partir de um modelo fechado: uma capacitância coaxial de cada barril ao seu antipad mais uma capacitância de dois fios entre os barris. Uma solução de campo mostrou que esse modelo dava cerca da metade do valor real.

Resolvido em três dimensões com os planos que a via atravessa no lugar, e conferido com uma simulação de onda completa, o mesmo par de 0,25 mm num antipad de 0,9 mm tem 85,6 Ω quando os planos estão a 0,1 mm um do outro e 96,0 Ω quando estão a 1,0 mm. Os planos são transversais aos barris: acrescentam capacitância em cada borda de furo, mas quase não mudam a indutância, de modo que a impedância depende de quão densamente eles estão empilhados, e o espaçamento dos planos não é uma das dimensões da via.

Em três geometrias de referência, a impedância resolvida cobre uma razão de até 1,31 nessa faixa de espaçamento dos planos, então nenhuma fórmula baseada só no barril, no antipad e no passo consegue ficar a menos de 10 % de todos os casos. Por isso a calculadora não informa impedância. Para o valor, coloque seu empilhamento real na ferramenta de onda completa.

O stub é mais lento do que parece

A mesma solução de campo diz algo sobre o stub. Como os planos carregam o barril de forma capacitiva, a onda viaja mais devagar que $c/\sqrt{\varepsilon_r}$: sua permissividade efetiva é de 1,17 a 1,86 vez $\varepsilon_r$. A ressonância de quarto de onda $c/(4L\sqrt{\varepsilon_r})$ é, portanto, um limite superior. Para esta via, o stub resolvido ressoa perto de 26,3 GHz em vez de 30,48 GHz, e a pior perda dentro da banda sobe para cerca de 3,4–4,1 dB.

Então leia a ressonância da calculadora como a frequência mais alta em que o entalhe pode estar, e sua pior perda como tomada nessa ressonância sem carga. Se o limite já está dentro da sua banda, o entalhe real está ainda mais dentro dela.

O que esse modelo é e não é

É um modelo concentrado de triagem. A carga do stub decorre do $S_{21}$ de uma admitância em paralelo, e a perda no condutor é limitada no limite de planos densos, com cada barril dentro de sua própria parede coaxial: $Z_{dense} = \frac{\eta_0}{\pi\sqrt{\varepsilon_r}}\ln(D/d)$, 74,95 Ω aqui e abaixo de toda impedância resolvida. O que ele não inclui: as correntes radiais nos planos, a capacitância dos pads, as ressonâncias da cavidade entre planos, a descontinuidade onde a trilha encontra a via.

Uma transição de via real é tridimensional e nenhuma delas é pequena. Use isso para decidir se uma geometria merece uma simulação de onda completa e, em seguida, execute uma. A ferramenta de parâmetros S do FDTD neste site resolve a estrutura real.

Vale nomear um limite explicitamente. Se os dois antipads se fundem numa só abertura ou ficam separados, com cobre dos planos entre os barris, muda o acoplamento entre eles. Essa é parte da razão pela qual a impedância precisa do seu empilhamento e de uma solução de campo, e não de uma fórmula; a ressonância do stub e a perda não dependem disso.

O que verificar, em ordem

Veja primeiro a ressonância do esboço contra sua banda. Se estiver muito acima, a transição pode ser boa, pois planejada e retrocesso é dinheiro que você não precisa gastar.

Se estiver dentro ou perto, tente mover a transição para uma camada mais profunda antes de pegar uma broca. Esboço mais curto, maior ressonância, sem etapa extra do processo.

Depois obtenha a impedância diferencial da via com uma simulação de onda completa do seu empilhamento e compare-a com a impedância da sua trilha. O canal vê o descasamento, não o valor absoluto.

E se a resposta estiver perto de um limite, simule-a. Um modelo de triagem que diz que algo é marginal fez seu trabalho ao dizer que você deveria parar de confiar nele.