Сравнение микрополосковой и копланарной линий (для СВЧ плат)

Олеся (@leka_engineer), инженер-разработчик СВЧ устройств, перевела статью Джона Кунрад об использовании микрополосковых и копланарных печатных линий

Автор статьи — Джон Кунрад, технический маркетинг-менеджер компании Роджерс (Rogers Corp). Роджерс — крупнейший производитель диэлектрических подложек и других материалов. Оригинал статьи находится по ссылке. В статье говорится только о заземленном копланаре, не путайте с обычным копланаром, у которого нет металла снизу платы.

Разработчики обычно должны выбирать между микрополоском и заземленным копланаром для своих схем, а также подбирать оптимальный материал подложки для наилучшего результата. В этом блоге (прим.переводчика — на сайте компании есть блог с полезными статьями, вопросами и ответами) часто упоминается, что подложки для печатных плат обладают различными параметрами — как электрическими, так и термическими, а именно: диэлектрическая проницаемость, потери, максимальная мощность, максимальная ширина полосы частот на высоких частотах. Технологии изготовления линий передачи, такие как микрополосковая и копланарная, имеют свои преимущества и недостатки. В этой статье будет будет показано их сравнение.

Микрополосковая линия передачи формируется с помощью тонкой линии передачи на одной стороне СВЧ платы и проводящего земляного полигона на другой стороне. Параметры получившейся линии передачи зависят от характеристик подложки, таких как: толщина подложки, толщина проводящего металла, шероховатость поверхности металла, в том числе со стороны диэлектрика.

Заземлённые копланарные линии по сравнению с микрополосковыми имеют больше земляных полигонов. Земляные полигоны, кроме нижней стороны платы, также расположены по бокам от сигнальной линии. Заземлённые копланары таким образом добиваются электрической стабильности, "заковывая" сигнальный полосок в обрамление из "земли".

В обоих типах линий распространяется квази-ТЕМ волна. Копланарные линии, из-за наличия дополнительных полигонов, сложнее в производстве. Но также у них меньше показатель дисперсии по сравнению с микрополосковыми линиями, и меньше потери на излучение, особенно на частотах, близких к миллиметровому диапазону.

Слева Микрополосковая линия, справа Заземлённая Копланарная

Заземлённые копланары, из-за наличия земли на верхнем слое, применимы на более высоких частотах, чем микрополоски, а также могут обеспечить более широкий диапазон волновых сопротивлений. С другой стороны, микрополоски более надежны и их легче изготовить (в отличие от заземленных копланарных линий, где требуется изготовление металлизированных отверстий). К тому же микрополосковые линии менее чувствительны к качеству изготовления печатной платы. Микрополосковые топологии показывают меньший разброс параметров из-за явлений подтравов и итоговых ширин и зазоров, а также итоговой толщины металлизации.

Сравнение распределения полей у Микрополосковой линии и Заземленного Копланара

В целях наиболее честного сравнения в Роджерс были изготовлены несколько плат на материалах 4000-й серии, включая RO4350B толщиной 0,254 мм с электроосажденной фольгой 18 мкм. Физические различия в технологии изготовления сильно влияют на электрические свойства - электромагнитные поля. В микрополосковой линии почти всё поле лежит между сигнальным полоском в верхнем слое и земляным полигоном на нижнем слое, а также много полей на торцах полоска. В заземленной копланарной линии передачи сильные поля находятся в зазорах между землёй и сигнальным полоском на верхнем слое, в то время как поля более слабые между верхним сигнальным полоском и нижним земляным полигоном. Линии передачи в виде заземленного копланара больше подвержены увеличению потерь из-за потерь проводимости металла, но имеют меньше потерь на излучение в сравнении с микрополосковой линией. Кроме уменьшения потерь на излучение, заземленные копланарные линии хороши тем, что из-за близости земляных полигонов на верхнем слое, могут эффективно подавлять паразитные моды.

Микрополосковые линии передачи, выполненные на печатной плате, даже с некоторым производственным разбросом, работают вполне стабильно. Заземленные копланарные линии передачи могут работать на более высоких частотах с более низкими потерями, чем микрополосковые линии, но они более чувствительны к процессу изготовления. Например, более толстый слой меди у микрополосковой линии немного уменьшит эффективную диэлектрическую проницаемость и немного улучшит потери (уменьшит). На копланарную линию передачи увеличение слоя металла окажет намного более сильное влияние - усилятся поля между сигнальным полоском и земляными полигонами на верхнем слое, уменьшит эфф. диэл. проницаемость, а также уменьшит потери вследствие конечной проводимости.

Слева копланар с тонким слоем меди, справа с толстым - хорошо виден эффект "трапеции"

Одна из особенностей копланарной линии состоит в том, что электромагнитная волна распространяется в зазоре между сигнальным полоском и земляными полигонами, то есть в воздухе, где диэлектрическая проницаемость равна 1. В то время как в подложке, где диэлектрическая проницаемость больше 1, концентрация полей меньше. Результатом этой особенности является более низкая результирующая диэлектрическая проницаемость структуры. Широкие проводники помогают снизить потери проводимости. Увеличение толщины меди означает более высокие стенки проводников на верхнем слое платы, где как раз происходит самая большая доля распространения (в воздухе между стенками), что снижает эффективную диэлектрическую проницаемость и потери для таких схем. Заземленный копланар может быть рассчитан и изготовлен как слабосвязанным, так и сильносвязанным, от этого будут зависеть итоговые параметры линии передачи.

Например, эти два типа будут по разному реагировать на наличие или отсутствие финишного покрытия на проводниках - например, иммерсионного золота (ENIG). Из-за того, что никель имеет меньшую проводимость, чем медь (прим. переводчика: покрытие ENIG предполагает нанесение подслоя никеля), характеристики линии пострадают - потерь в такой линии будет больше, чем у непокрытой. Далее сильносвязанная копланарная линия будет сильнее реагировать на потери проводимости, чем слабосвязанная, при условии одинакового финишного покрытия - имм. золота. Особенно, если плата будет многослойной, то есть будет несколько слоев с покрытием из никеля и золота.

График зависимости эффективной диэлектрической проницаемости для заземлённой копланарной линии от частоты, красная - тонкая голая медь на слабосвязанной линии, фиолетовая - толстая голая медь на слабосвязанной линии, синяя- тонкая медь на сильносвязанной линии, зелёная - толстая медь на сильносвязанной линии

Различия могут наблюдаться из-за многих производственных факторов, например, таких, как финишное покрытие, ширина и толщина проводников.

Сравнение величины погонных потерь (от частоты) сильно-/слабо связанных линий с толстой и тонкой медью на материале 4350. Слева Частоты от 0 до 10 ГГц, справа увеличенная часть от 9 до 10 ГГц.

Сравнение величины погонных потерь линий на подложке 4003 слева -Микрополосок, справа заземлённый копланар; красная- голая медь, синяя- покрытие ENIG

Сравнение слабосвязанного (слева) и сильносвязанного (справа) копланаров показаны графики зависимости погонных потерь от частоты. красная - голая медь, синяя- покрытие ENIG

И микрополосковая и копланарная линии обе хорошо подходят для применения в ВЧ и СВЧ схемах. Различия состоят в геометрии, выбор материала подложки влияет на итоговые параметры, как и технология производства. В общем случае, на микроволнах лучше выбирать микрополосковую линию, так как она менее чувствительна к производственным разбросам. Но, когда, планируется применение на высоких частотах (мм-диапазон), копланарные линии лучше, у них меньше показатель дисперсии и потери на излучение. Также копланарные линии обеспечат бОльшую ширину полосы в мм-диапазоне, чем микрополосковые. Также, стоит помнить, что копланарные линии гораздо лучше, при необходимости, подавляют паразитные моды.

На слайде повторен текст последнего абзаца

Оригинал статьи читайте на Хабре.

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