Was ist los mit meinem 50 Ω geerdeten koplanaren Wellenleiter?

Ich habe an einem 4-Lagen-Design gearbeitet, das auf dem EFR32BG13 Bluetooth Low Energy SoC basiert. Beim Versuch, die Impedanz der Antenne zu messen, um eine Anpassungsschaltung aufzubauen, stellte ich fest, dass meine kurzgeschlossene koplanare Wellenleiter-Übertragungsleitung (GCPW) eher wie eine Antenne als wie eine Übertragungsleitung funktioniert.

Um die Ursache des Problems einzugrenzen, habe ich eine einfache 4-Lagen-Übertragungsleitungstestplatine gebaut, die hier abgebildet ist:

Die Platte hat ein Quadrat von 100 mm. Ich ließ diese Platten von ALLPCB herstellen, die auf allen Schichten 35 μm Kupfer und zwischen den ersten beiden Schichten ein Dielektrikum von 0,175 mm (Dielektrizitätskonstante 4,29) spezifizierten. Mit AppCAD fand ich heraus, dass ein Design mit einer Leiterbahnbreite von 0,35 mm und einem Spalt von 0,25 mm eine Impedanz von 48,5 Ω ergibt. Die oberste Schicht für das Board ist oben in rot dargestellt. Die anderen drei Ebenen sind Grundebenen, die so aussehen:

Ich habe die Platinen heute erhalten und mit dem Testen von S21 für den zweiten Abschnitt von unten begonnen - ein gerades Stück GCPW mit SMA-Anschlüssen an beiden Enden. Ich habe einen HP 8753C / HP 85047A mit einem kurzen Koaxialkabel verwendet, das an die Ports 1 und 2 angeschlossen ist, und das Testboard, das zwischen diesen Koaxialkabeln angeschlossen ist. Zu meiner großen Überraschung sah ich Folgendes:

Bei 2,45 GHz hat meine Übertragungsleitung eine Antwort von -10 dB. Wenn ich die Platine durch einen "durch" -Anschluss ersetze, sehe ich genau das, was ich erwarten würde:

Ich bin ein bisschen ratlos, da ich dachte, dass der erste Test ein Slam Dunk sein würde und ich anfangen würde, Probleme mit den komplexeren Tests darüber zu finden. Ich habe einen VNA und ein starkes Verlangen zu lernen, was ich hier falsch mache. Können Sie Probleme mit meiner Testmethode oder mit dem GCPW-Design selbst feststellen? Jede Hilfe wäre sehr dankbar!

Bearbeiten: Wie von Neil_UK vorgeschlagen, habe ich die Thermik auf einer Platine entfernt, indem ich die Lötmaske abgekratzt und dann die Lücke mit Lötmittel überbrückt habe. Das Messen von S11 und S21 mit dieser Konfiguration ergibt das folgende Ergebnis:

Beim Vergleich des S21-Diagramms mit dem vorherigen Ergebnis scheint es keinen wahrnehmbaren Unterschied zu geben.

Edit 2: Wie von mkeith vorgeschlagen, habe ich einen der "Streifen" meines Testboards mit der alten "score and break" -Methode vom Rest getrennt. Das Board, das ich abbrechen wollte, ist das gleiche Board, auf dem ich die Thermik entfernt habe. Das Ergebnis ist also eine weitere Modifikation des vorhergehenden Diagramms. Hier ist es:

Es gibt eine Vertiefung der Täler im S11-Diagramm, aber keine signifikante Verbesserung der Funktionalität des Boards als Übertragungsleitung.

Bearbeiten 3: Hier ist ein Foto der Tafel in ihrer neuesten Ausführung:

Edit 4: Nahaufnahmen von beiden Seiten eines SMA-Steckers:

Der SMA-Steckverbinder ist Molex 0732511150. Die Leiterplattenanschlussfläche folgt den Empfehlungen im Datenblatt hier:

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

Edit 5: Hier ist ein Querschnitt der Tafel in der Nähe einer Kante:

Die grünen Linien sind nach den Angaben des Herstellers skaliert, die hier kopiert werden:

Bearbeiten 6: Hier ist ein Top-Down-Foto der Tafel mit roten Skalenlinien, die die erwarteten Abmessungen zeigen:

Edit 7: Um den Effekt des großen mittleren SMA-Bodens zu überprüfen, habe ich das mittlere Pad auf einer Platine so geschnitzt, dass es die gleiche Breite wie der Rest der Spur hatte. Dann habe ich Kupferband verwendet, um den Boden auf beiden Seiten zu verlängern:

Dann habe ich S11 und S21 erneut getestet:

Dies scheint S11 signifikant verbessert zu haben, was mich zu der Annahme veranlasst, dass das große Mittelland tatsächlich eine Kapazität an jedem Ende der Leitung erzeugt, was zu Resonanz führt.

Bearbeiten 8: Auf der Suche nach einer Anleitung für den Übergang von SMA zu GCPW bin ich auf dieses Whitepaper gestoßen:

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

Während sich das Papier speziell auf die Verwendung eines Hochfrequenzsubstrats bezieht, denke ich, dass ein Großteil davon hier noch anwendbar ist. Zwei Hauptpunkte fallen mir auf:

1. Die GCPW sollte sich bis zum Rand der Platine fortsetzen.
2. SMA-Steckverbinder mit Hochfrequenzendeinführung verwenden einen kürzeren und schmaleren Mittelstift, um die Auswirkung auf das GCPW zu minimieren. Diese können für eine Anwendung wie diese mit einem dünnen zentralen Leiter auf der Übertragungsleitung geeigneter sein.

Sie sollten keine Thermik verwenden, wenn Sie die SMAs erden. Diese Erdungslaschen sollten direkt auf die große, nicht unterbrochene Erdungsebene zeigen. Es wird nicht einmal schwieriger zu löten sein, der Großteil der SMA muss ohnehin aufgeheizt werden, so dass diese drei gedruckten Induktivitäten im Boden jeder SMA nicht erforderlich sind.

Wenn Sie sich die Welligkeit auf Ihrem S21-Plot ansehen, ist die sich wiederholende Welligkeit konsistent mit schlechten Übereinstimmungspunkten, die durch Ihre Brettbreite voneinander beabstandet sind. Das ist vielleicht nicht die ganze Geschichte, aber lösen Sie dieses offensichtliche Problem, bevor Sie nach subtileren Details suchen.

Sie müssen die Platinen nicht neu anfertigen lassen, Sie können jeden Resist abkratzen und die Schnitte mit Lot überbrücken, um eine schnelle Lösung zu finden. Bearbeiten Sie Ihren Beitrag und fügen Sie die neuen Maße hinzu, wenn Sie das getan haben. Übrigens ist S11 in der Regel eine empfindlichere Messung für "erwartete gute" Durchgangsleitungen als S21, obwohl ich zustimme, ist diese S21 ziemlich schlecht.

Was ist das Board-Material (kein unwichtiges Detail)?

(bearbeiten)

Es ist also nicht die Thermik, wir sind wohl nur bei 3GHz.

Ist die Linie korrekt berechnet? Mit diesen Maßen ergibt dieser Rechner 48,93, aber offensichtlich wird Kupfer mit einer Dicke von Null verwendet. Dieser gibt 47,42 mit 35 um Kupfer und stimmt mit dem anderen für eine Dicke von Null überein, so dass das Design plausibel aussieht. Diese Unterschiede zu den von Ihnen angenommenen reichen nicht aus, um die Messungen zu erklären.

Ist die Platine korrekt hergestellt?

$\varepsilon_r$

Eine Kapazitätsmessung an einem Stück Brett, das von Ihrem Testbrett entfernt von Bodenstichdurchgängen geschnitten wurde, ergibt eine Kombination aus Dicke und Dielektrizitätskonstante. Eine elektrische Längenmessung an Ihren Teststücken ergibt eine im Wesentlichen dielektrische Konstante mit einem kleinen Beitrag der Geometrie.

Es ist für Sie ganz einfach, eine Übertragungsleitungslänge zu modellieren und Länge, Impedanz und Verlust anzupassen, bis der simulierte S11 und S21 Ihren Messungen entsprechen. Sie können sogar Ihren Optimierer bitten, dies automatisch für Sie zu tun. Ist das ein plausibles Modell für Ihre Ergebnisse?

Mir ist plötzlich aufgefallen, dass Ihre Signaltabellen an den Anschlüssen sehr breit sind, wodurch an jedem Anschluss eine kurze Leitung mit sehr niedriger Impedanz entsteht. Bei dieser Länge wäre die Modellierung als konzentriertes C wahrscheinlich für 3GHz ausreichend. Fügen Sie Ihrem Modell zwei konzentrierte Cs hinzu und versuchen Sie, diese Simulationen an Ihre Ergebnisse anzupassen. Veröffentlichen Sie eine Vergrößerung des Connector-Schnittstellenbereichs, damit wir sehen können, was dort ordnungsgemäß geschieht.

(/bearbeiten)

Ich denke, Sie haben das Datenblatt falsch interpretiert oder eher nicht berücksichtigt, dass Sie 4 Schichten haben und auch auf der obersten Schicht geschliffen sind. Die Designempfehlungen fordern dies bei diesem Layout nicht.

Es sagt "Kupfer auf der Unterseite (Boden) Seite"

So interpretiere ich das Datenblatt;

Die Breite des Center-Pads ist so ausgelegt, dass sie gut mit der Impedanz von 50 Ohm übereinstimmt, wenn Sie ein 1,57 mm dickes DOUBLE LAYER-Board (nicht 4-lagig) haben, dessen Massefläche NUR auf der Unterseite liegt (~ 1,6 mm unter der Schiene) warum auch, wenn Sie die Spur betrachten, die vom Terminal weggeht, ist sie sogar noch breiter, weil bei einer 1,6-mm-Platine mit Masse auf der Unterseite nur eine sehr breite Spur benötigt wird, um eine Impedanz von 50 Ohm zu erhalten.

Wenn Sie das Kupfer auf den beiden mittleren Kupferschichten unterhalb des mittleren Pads nicht entfernt haben, haben Sie die Grundebene viel näher verschoben, als es aus den Konstruktionsspezifikationen hervorgeht. und auch, weil Sie Masse auf der oberen Ebene haben, haben Sie auch die Impedanz davon geändert. Der im Datenblatt angegebene Abstand zwischen Mittel- und Bodenplatte darf nicht mit der Bodenplatte ausgefüllt werden.