Quel est le problème avec mon guide d'onde coplanaire mis à la terre de 50 Ω?

Je travaille sur une conception à 4 couches construite autour du SoC EFR32BG13 Bluetooth Low Energy. En essayant de mesurer l'impédance de l'antenne pour construire un circuit d'adaptation, j'ai découvert que ma ligne de transmission à guide d'ondes coplanaire (GCPW) courtement mise à la terre agissait davantage comme une antenne que comme une ligne de transmission.

Pour limiter la cause du problème, j'ai construit un simple tableau de test de ligne de transmission à 4 couches, qui est illustré ici:

Le conseil est de 100 mm carrés. J'avais ces cartes fabriquées par ALLPCB, qui spécifiaient du cuivre de 35 µm sur toutes les couches et un diélectrique de 0,175 mm (constante diélectrique de 4,29) entre les deux premières couches. À l'aide d'AppCAD, j'ai constaté qu'une conception avec une largeur de trace de 0,35 mm et un intervalle de 0,25 mm produisait une impédance de 48,5 Ω. La couche supérieure du tableau est indiquée en rouge ci-dessus. Les trois autres couches sont des plans de sol qui ressemblent à ceci:

J'ai reçu les cartes aujourd'hui et j'ai commencé par tester S21 pour la deuxième section à partir du bas - une pièce droite de GCPW avec des connecteurs SMA à chaque extrémité. J'ai utilisé un HP 8753C / HP 85047A avec une petite longueur de câble coaxial connecté aux ports 1 et 2 et la carte de test connectée entre ces longueurs de câble coaxial. À ma grande surprise, voici ce que j'ai vu:

À 2,45 GHz, ma ligne de transmission a une réponse de -10 dB. Si je remplace la carte par un connecteur "thru", je vois exactement ce à quoi je m'attendais:

Je suis un peu perdue, car je pensais que le premier test serait un slam dunk et que je commencerais par trouver des problèmes avec les tests plus complexes qui précèdent. J'ai un VNA et un fort désir d'apprendre ce que je fais mal ici. Voyez-vous des problèmes avec ma méthode de test ou avec la conception de GCPW elle-même? Toute aide serait grandement appréciée!

Edit: Comme suggéré par Neil_UK, j'ai supprimé les thermiques d'une carte en grattant le masque de soudure, puis en comblant le vide avec de la soudure. Mesurer S11 et S21 avec cette configuration donne le résultat suivant:

En comparant le graphique S21 avec le résultat précédent, il ne semble pas y avoir de différence perceptible.

Edit 2: Comme suggéré par mkeith, j’ai séparé l’une des "bandes" de mon tableau de test en utilisant l’ancienne méthode "score et cassure". Le panneau que j'ai choisi de rompre est le même que celui sur lequel j'ai retiré les thermiques. Ce résultat est donc une modification supplémentaire du tracé précédent. C'est ici:

Il y a un approfondissement des creux dans le tracé S11, mais aucune amélioration significative des fonctionnalités de la carte en tant que ligne de transmission.

Edit 3: Voici une photo du tableau dans sa plus récente réalisation:

Montage 4: Plans rapprochés des deux côtés d’un connecteur SMA:

Le connecteur SMA est Molex 0732511150. Le circuit imprimé suit les recommandations de la fiche technique ici:

http://www.molex.com/pdm_docs/sd/732511150_sd.pdf

Edit 5: Voici une coupe transversale du tableau près d’un bord:

Les lignes vertes sont mises à l'échelle à partir des spécifications du fabricant, qui sont copiées ici:

Edit 6: Voici une photo descendante du tableau avec des lignes d'échelle rouges indiquant les dimensions attendues:

Éditer 7: Pour vérifier l’effet du grand centre SMA Land, j’ai découpé le pavé central sur un panneau de sorte qu’il ait la même largeur que le reste de la trace. Ensuite, j'ai utilisé du ruban de cuivre pour étendre les motifs de chaque côté:

Puis j'ai retesté S11 et S21:

Cela semble avoir considérablement amélioré S11, ce qui m'amène à penser que le grand centre-ville créait en fait une capacité à chaque extrémité de la ligne entraînant une résonance.

Edit 8: À la recherche de conseils sur la manière de gérer la transition de SMA à GCPW, je suis tombé sur ce livre blanc:

http://www.mouser.com/pdfdocs/Emerson_WhitePaperHiFreqSMAEndLaunch.pdf

Bien que le document mentionne spécifiquement l'utilisation d'un substrat haute fréquence, je pense qu'une grande partie de celui-ci est toujours applicable ici. Deux points principaux ressortent pour moi:

1. Le GCPW devrait continuer jusqu'au bout du tableau.
2. Les connecteurs SMA haute fréquence à lancement final utilisent une broche centrale plus courte et plus étroite afin de minimiser ses effets sur le GCPW. Ceux-ci peuvent être plus appropriés pour une telle application avec un mince conducteur central sur la ligne de transmission.

Vous ne devez pas utiliser de «thermiques» lors de la mise à la terre des SMA. Ces languettes au sol doivent aller directement sur le grand plan au sol ininterrompu. Il ne sera même pas plus difficile à souder, le gros de la SMA doit être chauffé de toute façon, il n'y a donc pas besoin de ces trois inducteurs imprimés dans le sol de chaque SMA.

Si vous regardez l'ondulation sur votre tracé S21, l'ondulation répétée est compatible avec le fait que les points de correspondance médiocres sont espacés de la largeur de votre planche. Ce n'est peut-être pas toute l'histoire, mais résolvez ce problème évident avant de chercher des détails plus subtils.

Vous n'avez pas besoin de refaire les planches, vous pouvez gratter n'importe quelle résistance et combler les coupures avec de la soudure comme solution rapide. Modifiez votre message et ajoutez les nouvelles mesures lorsque vous avez terminé. BTW, S11 est généralement une mesure plus sensible à prendre sur les lignes "bonnes attendues" que S21, bien que je sois d’accord, ce S21 est plutôt mauvais.

Quel est le matériel de la planche (pas un détail sans importance)?

(modifier)

Donc, ce ne sont pas les thermiques, nous sommes seulement à 3 GHz, je suppose.

La ligne est-elle calculée correctement? Avec ces dimensions, cette calculatrice donne 48,93, mais elle utilise évidemment du cuivre de zéro épaisseur. Celui- ci donne 47,42 avec du cuivre 35 µm et s’accorde avec l’autre pour une épaisseur nulle, de sorte que la conception semble plausible. Ces différences par rapport à ce que vous avez supposé ne suffisent pas à expliquer les mesures.

La carte est-elle fabriquée correctement?

$\varepsilon_r$

Une mesure de capacité sur un morceau de carton découpé dans votre panneau de test, à l’écart des trous de piqûre au sol, vous donnera une épaisseur et une constante diélectrique combinées. Une mesure de longueur électrique sur vos éprouvettes vous donnera essentiellement une constante diélectrique, avec une petite contribution de la géométrie.

Il sera facile pour vous de modéliser une longueur de ligne de transmission et d’ajuster la longueur, l’impédance et la perte, jusqu’à ce que les simulateurs S11 et S21 correspondent à vos mesures. Vous pourriez même demander à votre optimiseur de le faire automatiquement pour vous. Est-ce un modèle plausible pour vos résultats?

J'ai soudainement remarqué que les onglets de signal au niveau des connecteurs étaient très larges, ce qui créerait une courte longueur de ligne à très basse impédance au niveau de chaque connecteur. Ajoutez deux Cs forfaitaires à votre modèle et essayez d’adapter ces simulations à vos résultats. Affichez un agrandissement de la zone d’interface du connecteur afin que nous puissions voir correctement ce qui s’y passe.

(/modifier)

Je pense que vous avez mal interprété la fiche technique, ou plutôt que vous n'avez pas tenu compte du fait que vous avez 4 couches et que la couche supérieure est également posée sur la couche supérieure, les recommandations de conception ne le demandent pas pour cette présentation.

Il dit "du cuivre sur le côté inférieur"

Voici comment j'interprète la fiche technique.

La largeur du coussinet central est conçue pour être bien adaptée / avoir une impédance proche de 50 ohms lorsque vous avez une carte DOUBLE LAYER de 1,57 mm d'épaisseur (et non 4 couches) avec un plan de masse sur le fond UNIQUEMENT (~ 1,6 mm sous la piste) pourquoi aussi si vous regardez la piste qui s’éloigne du terminal, elle est encore plus large, c’est parce qu’avec une carte de 1,6 mm avec sol au sol, vous avez besoin d’une piste très large pour obtenir une impédance de 50ohm.

Si vous n'avez pas retiré le cuivre des deux couches de cuivre centrales situées sous le coussinet central, le plan de masse a été beaucoup plus rapproché que ce qui est supposé provenir des spécifications de conception. Et aussi parce que vous avez atterri sur le dernier plan, vous avez également modifié l’impédance. Votre distance entre les pads central et le sol spécifiés dans la fiche technique n'est pas supposée être remplie avec le plan de sol.