Расчет волнового сопротивления с помощью MWI-calculator от Rogers

Автор: Ревуцкий Степан Дмитриевич, ведущий инженер-разработчик СВЧ устройств ООО "НПП "ИТЭЛМА", автор блога "СВЧушки".

Эта статья посвящена расчету волнового сопротивления различных типов линий передачи. В материале акцент будет сделан на расчете характеристик микрополосковой линии (волновое сопротивление и потери) с учетом влияния различных параметров (в том числе, поверхностной шероховатости медной фольги).

В последние годы в ряде приложений применяются частоты миллиметрового диапазона¹ длин волн. Например, Wireless Gigabit Alliance² активно продвигает диапазон частот 60 ГГц, а в автомобильных радарах³ используется диапазон 76 — 81 ГГц.

Для разработчиков планарных СВЧ устройств это дополнительная головная боль, т.к. при разработке антенных элементов и различных элементов СВЧ-тракта приходится учитывать изменение относительной диэлектрической проницаемости (ε_r или D_k) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg(δ) или D_f) в рабочем диапазоне частот, т.к. в подавляющем большинстве случаев в документации на материал эти параметры указываются для частоты 10 ГГц. И еще одной проблемой становится учет поверхностной шероховатости медной фольги (R_q), т.к. на миллиметрах этот параметр определяет дополнительные потери в линии передачи (например, микрополосковой или полосковой) и фазовый набег⁴.

Не секрет, что одними из наиболее популярных СВЧ ламинатов являются материалы фирмы Rogers (RO3003, RO4350 и т.д.). И именно Rogers предлагает ряд информационных материалов и инструментов для оценки характеристик СВЧ ламинатов в миллиметровом диапазоне частот. Одним из таких инструментов является приложение Microwave Impedance Calculator (MWI)⁵, это приложение бесплатное, но для его использования необходимо зарегистрироваться на сайте Technology Support Hub⁶. Также MWI можно скачать в виде приложения для разных ОС – Windows, Android и iOS.

Рассмотрим основной функционал MWI на примере онлайн версии (рис.1). Приложение позволяет выбрать необходимый материал и его параметры, а также провести оценку влияния параметров материала на характеристики проектируемой линии передачи. Доступны три типа линий передачи (с некоторыми вариациями): микрополосковая, полосковая и копланарная (рис.2). Для каждого материала можно получить значение Dk для заданной частоты, а также получить значение поверхностной шероховатости меди для разных типов фольги (ED – электроосажденная или RLD – катанная). Учитывая эти данные, можно провести оценку потерь в линии передачи в заданном диапазоне частот (рис.3), а также изменение импеданса линии.

Один из вопросов, который возникает при использовании приложения, – какую модель потерь выбирать? В приложении доступно две модели потерь – «Hall-Huray»⁷ и «Morgan rule».

Рис.1. Рабочее окно MWI

Рис.2. Типы линий передачи в MWI

Ответ на этот вопрос можно получить, обратившись к руководству пользователя «MWI Instruction Manual»⁸ (рис.4). На рис.4 цифрой 1 отмечена область с параметрами, задающими дополнительные свойства медной фольги. Под цифрой 2 находится пояснение, что модель «Morgan rule» точна, когда используется на частотах до 10 ГГц. А вот модель «Hall-Huray» более точна на высоких частотах и является более широкополосной. Значит, для расчетов в миллиметровом диапазоне частот нужно использовать именно эту модель, тем более что на текущий момент времени она является одной из самых точных⁷ для оценки потерь в линии передачи. Но тут же, под цифрой 4, следует уточнение, что поверхностная шероховатость используется только в модели «Morgan rule». А это значит, что разработчику придется самостоятельно строить модель проектируемого устройства в какой-либо САПР, способной учитывать шероховатость медной фольги, и оценивать влияние шероховатости на характеристики проектируемого устройства⁹.

Рис.3. Оценка потерь в линии передачи в MWI

Рис.4. Модели потерь в MWI

Для полноты картины осталось сказать о том, где в явном виде можно получить значение относительной диэлектрической проницаемости материала для нужной частоты. Для этого нужно выбрать пункт “Information” на панели инструментов (рис.5) и выбрать “Download D_k information”. После чего запрашиваемая информация появится в рабочем окне программы (рис.6).

Рис.5. Информация о D_k в MWI

Рис.6. Информация о D_k в MWI

Конечно, ряд моментов при использовании MWI вызывает некоторые вопросы (например, иногда по непонятным причинам, при выборе толщины меди показатель шероховатости не меняется). Но на текущий момент времени нет информации о другом бесплатном инструменте с подобным функционалом и базой данных по популярным материалам фирмы Rogers.

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Миллиметровые_волны;
2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Wireless_Gigabit_Alliance;
3. «Автомобильные радары. Пролог.», https://vk.com/@svchushki-avtomobilnye-radary-prolog;
4. «Расчет волнового сопротивления. Часть 4. MWI (Rogers).», в вэб-версии статьи приведены ссылки на видео https://vk.com/@svchushki-raschet-volnovogo-soprotivleniya-chast-4-mwi-rogers;
5. https://www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/en/mwi_calc2020.php;
6. https://www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/en/home.php;
7. Обзорный материал по моделям потерь можно найти в статье Игоря Зырина «Учет геометрической неоднородности поверхности проводника при проектировании печатных плат», https://www.altium-ru.com/sites/default/files/attachments/2020-06_СЭ_Учет-геометрической-неоднородно...;
8. http://www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/en/docs/MWI-2019_software_manual_rev1.pdf;
9. Нужно помнить, что после изготовления печатной платы поверхностная шероховатость может сильно отличаться от той, что дает Rogers, и связано это с тем, что при изготовлении печатной платы происходит дополнительное осаждение меди. Поэтому уровень шероховатости медной фольги на внутреннем слое (прилегающем к подложке печатной платы) может в разы отличаться от уровня шероховатости на внешнем слое («Copper Foils for High Frequency Materials», https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/.... И в ряде случаев этот момент должен быть учтен при проектировании устройств, работающих в миллиметровом диапазоне. 

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru