Введение
При проектировании СВЧ-плат важным параметром является развязка между различными микрополосковыми линиями, недостаточная величина которой может полностью разрушить параметры проектируемой схемы. Если сверху платы можно поставить соответствующие экраны в виде металлических окон, закрытых сверху крышками, то связь по толще диэлектрика недоступна внешнему воздействию после изготовления платы. Поэтому прогнозирование развязки в таких случаях крайне необходимо.
Для анализа взаимного влияния на СВЧ обычно используют электромагнитные симуляторы. Инструмент этот достаточно эффективный, но ресурсоёмкий как по времени, так и используемому вычислительному оборудованию. После электромагнитного моделирования необходима экспериментальная проверка полученного результата.
Стоит отметить, нередки случаи, когда различные ЕМ-симуляторы дают разный расчётный результат. Адекватность расчёта определяется только измерением спроектированного устройства. Поэтому данная экспериментальная работа не только даёт представление разработчику о том, какие можно получить развязки в тех или иных случаях, но и позволяет оценить точность работы тех или иных симуляторов, особенно в ситуации динамического диапазона порядка 100 дБ.
Описание эксперимента
Для эксперимента были спроектированы и изготовлены наборы плат и проведено измерение их параметров.
Поскольку в данной работе требования к минимизации потерь в микрополосковой линии (МПЛ) не предъявлялись, для удешевления эксперимента использовался обычный стеклотекстолит марки FR4.
Для эксперимента были изготовлены 3 набора тестовых плат: первый и второй – на двухслойном стеклотекстолите толщиной 0,5 мм, третий – на 4-слойном стеклотекстолите с толщинами диэлектрика 0,25 / 0,12 / 0,25 мм. В третьем случае МПЛ располагалась на первом слое, а земляной экран на втором, третьем и 4-м слоях. Все слои были прошиты сквозными отверстиями.
Топология плат представляла собой две микрополосковые линии, разнесённых на расстояние 2,5 мм и имеющих между собой разделительную земляную дорожку шириной 1,5 мм. МПЛ заканчивались 50-омным резистором типоразмера 0402. Эффективная связь между МПЛ осуществлялась на длине 50 мм.
Фотографии трёх наборов тестовых плат представлены на рисунке 1 (а, б, в).
Платы последовательно монтировались в измерительную оснастку (см. рис. 2).
Измерения проводились на векторном анализаторе цепей ZVA в диапазоне частот от 10 МГц до 20 ГГц. Калибровка TOSM осуществлялась в коаксиальном траке в соответствии с [1]. Диапазон ограничивался параметрами применяемых SMA-разъёмов.
В таблице1 сведены основные параметры трёх тестовых плат, участвующих в эксперименте.
При использовании 2-х рядов отверстий, ряды сдвинуты относительно друг друга на полшага.
Для сравнения измерения проведены в оснастке без крышки и с крышкой, обеспечивающей полную экранировку микрополосковых линий, при которой связь между микрополосками могла осуществляться только по толще диэлектрика.
На рисунке 3а представлены графики развязки 1-го набора плат без крышки.
Синяя кривая – развязка МПЛ первой платы, не имеющей заземляющих отверстий. Все остальные практически слились в одну линию. Таким образом, при отсутствии крышки развязка нечувствительна к параметрам заземляющих отверстий и составляет 22–24 дБ в диапазоне до 20 ГГц.
Аналогичная картина наблюдается на рисунке 3б, где представлены графики развязки 2-го набора плат без крышки (развязка 22–24 дБ).
Похожая ситуация и с 3-м набором плат (см. рис. 3в), где синяя кривая – развязка МПЛ первой платы, не имеющей заземляющих отверстий, а остальные сливаются в одну кривую, с той лишь разницей, что характерная развязка лучше и составляет порядка 32 дБ (это объясняется меньшей толщиной верхнего слоя диэлектрика и соответственно меньшей шириной МПЛ).
На серии графиков (см. рис. 4а, 4б и 4в) представлены параметры отражения МПЛ трёх наборов плат (соответственно 1-го, 2-го и 3-го), по которым можно судить о том, что развязка обусловлена не высоким коэффициентом отражения, а связью между МПЛ.
Наконец, самое интересное – измерения наборов плат с экранирующей верхней крышкой.
Графики на рисунках 5 (а, б, в) – результаты измерений 1-го, 2-го и 3-го наборов тестовых плат трассы S21 (по мере увеличения развязки).
В таблице 2 сведены результаты измерений трёх тестовых наборов в соответствии с рисунками 5 (а, б, в).
Необходимо отметить, что 3 последних графика на рисунке 5в практически идентичны, их разница находится в пределах ошибки измерения.
Выводы
Достаточно детальное описание эксперимента позволяет провести электродинамическое моделирование параметров развязки МПЛ с целью верификации работы используемого симулятора.
Проведённый эксперимент и полученные результаты измерений позволяют сделать следующие заключения:
- Хорошая развязка возможна только при условии экранирования микрополосковых линий, исключающего связь по воздуху.
- Возможна реализация развязки до 100 дБ на длине связи 50 мм.
- Существенное увеличение развязки достигается уменьшением расстояния между краями заземляющих отверстий. Развязку в 100 дБ можно достичь при диаметре отверстий 0,2 мм и расстоянием между краями отверстий 0,2 мм.
- Оценку развязки можно вполне определённо провести, основываясь на представленных графиках без проведения дополнительных электродинамических расчётов.
Литература:
-
«Анализаторы электрических цепей векторные R&S ZVA8 / R&S ZVA24 / R&S ZVA40 / R&S ZVA50 / R&S ZVA67. Руководство по эксплуатации». ROHDE & SCHWARZ GmbH & Co. KG. Mu..hldorfstr. 15, D-81671 Mu..nchen.
