Coincidencia de impedancia de 50 Ω con señales a través de vías

Estoy trabajando en una placa IoT y todo está diseñado (LTE, GPS, BLE, WIFI - 30 mm x 30 mm, MUY AJUSTADO).

Como concesión de diseño, tengo que usar vías para enrutar algunas de las señales de RF. No hay otra manera de mantener el tablero tan pequeño.

He emparejado la impedancia y sintonizado varias placas de RF. Estoy usando el mismo material de PCB, por lo que estoy seguro de que las trazas de 50 Ω serán correctas. Y tengo un VNA para sintonizar la red coincidente con la antena.

Sin embargo, ¿qué sucede cuando las trazas de 50 Ω tocan una vía?

¿Existe una ecuación conocida para la adaptación de impedancias a través de vías?

¿Debería preocuparme si las trazas son de 50 Ω?

Tengo una red coincidente desde la salida de señal en el IC hasta la antena, entonces, ¿es un punto discutible? ¿Simplemente use la vía que desee y corrija la impedancia en la red correspondiente?

Se reflejará con seguridad, tengo la sensación de que no hay forma de que puedas mantener la impedancia con vías. Debe aceptar alguna pérdida de rendimiento. ¿Cuánto duran tus huellas? Si son solo algunos milímetros/centímetros, es posible que se salga con la suya... Edite , no espere que yo sepa nada sobre el tema :|
El rastro más largo es de alrededor de 15 mm.
Hmm... constrúyalo y vea qué sucede :) Intente al menos mantener las diferentes señales de RF aisladas entre sí tanto como pueda.
Sí, he visto otro diseño que también se compromete y usa vías. No estoy seguro de si el módulo LTE en cuestión tiene un indicador RSSI (probablemente lo tenga, así que al menos podría compararlo con una placa de muestra del fabricante). PERO, idealmente hay una respuesta conocida... ¿alguien?
Saturn PCB Toolkit tiene una pestaña de impedancia via
Consulte esta pregunta relacionada. Una de las respuestas tiene un enlace genial sobre cómo calcular la impedancia a mano :)
Dijiste "señales de RF", pero no qué banda de frecuencia. Puede que no le importen los efectos a través de 100 kHz o incluso 100 MHz, pero puede que le importen mucho los de 10 GHz.
@ThePhoton, en realidad especificó las bandas de frecuencia: LTE, GPS, BLE y WiFi. Eso es 1.8G, 1.2-1.5G, 2.4G y 2.4G.
@ThePhoton: sé que esta es tu timonera. Supongo que la banda más afectada es LTE, que tiene tres bandas ~900MHz/1700MHz/2300MHz (no me cites en esas bandas, me estoy desviando de lo que pensé que leí). Aún más difícil de decir, ¿verdad? Supongo que la vía ideal depende de la frecuencia. 10 mm extra harían desaparecer este problema.
@Matt Young: buena decisión, lo comprobaré. Tengo la sensación de que el tamaño de la vía dependerá de la frecuencia, y LTE tiene múltiples frecuencias.
@PkP, si nombrara los estándares de Ethernet, sabría las frecuencias de mi cabeza, pero esos nombres no son tan útiles para mí como decir 1.5 a 2.5 GHz.

Respuestas (1)

Sin embargo, ¿qué sucede cuando las trazas de 50 Ω tocan una vía?

La vía puede actuar como una discontinuidad capacitiva o inductiva en la línea de transmisión. Hará al menos una pequeña reflexión.

Por debajo de 1 GHz, esta discontinuidad suele ser demasiado pequeña para preocuparse, a menos que esté haciendo algo como un trabajo de radar de precisión. Por encima de 5 GHz, por lo general querrá diseñar cuidadosamente su vía para mantener la igualación de impedancia lo mejor posible. 1-2 GHz es una especie de término medio desordenado en el que puede salirse con la suya con una vía inigualable y puede que no. Por lo tanto, probablemente al menos debería hacer un mejor esfuerzo para diseñar una vía coincidente.

Primero, desea minimizar cualquier vía stub. Si puede, enrute desde la capa superior a la inferior, no desde la capa 1 a la capa 3, por ejemplo. Si no puede, espere una discontinuidad capacitiva del trozo. Es posible "perforar hacia atrás" la vía para eliminar la mayor parte del trozo, pero eso probablemente no esté justificado a 2,5 GHz.

En segundo lugar, si no está enrutando entre capas que comparten un plano de tierra (por ejemplo, la capa 1 y la capa 3 pueden usar la capa 2 como su plano de tierra, pero la capa 1 y la capa 8 no), asegúrese de que haya un ruta cercana para que las corrientes de retorno se muevan entre los planos de tierra de las dos capas de señal. Una vía terrestre cercana está bien. Dos o tres es aún mejor. Si una capa usa un plano de potencia como referencia, coloque un condensador de derivación para esa red de potencia cerca de su vía.

En tercer lugar, puede usar una herramienta como la herramienta Saturn PCB (búsquela en Google) para diseñar el diámetro de la vía y el diámetro del antipad a su alrededor a medida que pasa por los planos de alimentación y tierra, para darle a la vía una impedancia característica que coincida con su línea.

¿Existe una ecuación conocida para la adaptación de impedancias a través de vías?

Hay al menos fórmulas heurísticas. Se pueden utilizar herramientas como Polar o Saturn PCB tool para encontrar la impedancia característica de la vía, que depende principalmente del diámetro de la vía y del diámetro del antipad.

¿Debería preocuparme si las trazas son de 50 Ω?

Con una longitud de rastreo de 15 mm y 2,5 GHz, tiene más de 1/10 de longitud de onda en longitud de rastreo. Probablemente sea una buena idea hacer trazas de impedancia controlada, pero probablemente no sea demasiado crítico hacer todo exactamente bien.

Gracias Señor. En realidad, no he construido nada en el rango de 2,5 GHz. Estoy volviendo a diseñar este tablero nuevamente (que es un proceso agonizante de 6 horas), veo lo que dices con el orden de las capas y las vías. Desafortunadamente, tengo la señal que va de abajo hacia arriba. Saturn PCB Tool: gracias a Dios, no quiero calcular eso a mano según un enlace que vi antes.
De arriba a abajo es bueno porque no hay trozo en la vía. Pero un poco mal porque también necesitará tener rutas de retorno actuales (suponiendo más de 2 capas en total). Si tiene planos de tierra adyacentes a ambos planos de señales, eso realmente no es un gran problema.
Sí, es un tablero de 4 capas (¡ahora mismo!). No hay un plano GND adyacente a la capa inferior. Para el primer turno, debería girarlo como una capa 4 y ver. Sospecho que esto tomará algunas vueltas del tablero para que las cosas sean agradables y felices.
Ahórrese el tiempo y ni siquiera intente optar por una placa de 4 capas si el trazado de RF en la parte inferior no tiene una placa de tierra adyacente debajo (o arriba, depende de cómo lo mire). Tal vez debería mostrar el diseño del RF para una revisión aquí.
@Mike: ¿has probado esto antes con un tablero de 4 capas?
@Mike, si no hay mucho desorden en la "capa 3" (la que no es una capa de señal o plano de tierra), debería funcionar bien. Aunque el ancho de la traza para 50 ohmios podría ser bastante grande. Leroy, ¿puedes evitar tener rastros cercanos en la capa 3 o poner un relleno de tierra debajo del rastro de la capa 4 en la capa 3?
La acumulación es la capa superior de la capa 1, la capa 2 GND, la alimentación de la capa 3, la parte inferior de la capa 4 (apilamiento estándar de 4 capas). El ancho del trazo para los 50 ohmios en el material de 4 capas es de 0,304 mm. Tanto la capa GND como la de potencia no tienen señales, solo las atraviesan. ¿Por qué son preocupantes los rastros en la capa 3? Supongo que podría poner un relleno de suelo en la capa 3 y cortar el plano de energía debajo del rastro en cuestión.
Las pistas en la capa 3, si son paralelas a la pista de señal en la capa 4, podrían recibir alguna señal acoplada desde la pista de señal. No es probable que las pistas perpendiculares en la capa 3 causen un problema. Si tiene un plano de energía en la capa 3, puede usarlo como la ruta de retorno para su pista de RF, pero debe pensar detenidamente en cómo la ruta de retorno se conecta a la fuente y la carga (y coloque la derivación cerca de sus vías, como mencioné). en mi respuesta).
He estado pasando por esto durante una hora. No estaba familiarizado con el término plano de referencia, así que tuve que revisar ese y los caminos de retorno actuales. Creo que tengo un entendimiento flojo. Con respecto al plano de potencia como plano de referencia, está diciendo que coloque una tapa de desacoplamiento que va a GND (a través de una vía) y VCC (a través de una vía). Colóquelo justo al lado de la vía. ¿Esas vías, que está utilizando la tapa de desacoplamiento, proporcionan una ruta de retorno de corriente rápida a las capas superior e inferior? ¿Importa si ese límite de desacoplamiento está en la capa 1 o en la capa 4? Creo que no, porque es realmente la vía que quieres?
También tuve que buscar backdrilling, que no es factible en términos de costos para el proyecto. ;). Entiendo lo que dices con los stubs via y los reflejos.
Coincidencia de impedancia de 50 Ω con señales a través de vías
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