Un buen aislamiento entre canales es fundamental para mantener el rendimiento en los circuitos integrados de formadores de haces (BFIC). Los ajustes de ganancia entre canales en aplicaciones de matriz en fase pueden variar significativamente para lograr la reducción deseada de los lóbulos laterales y el silenciamiento (una diferencia de 30 dB no es inusual). Como se muestra en la parte 1, los BFIC modernos suelen tener múltiples rutas de RF paralelas en el chip que se dirigen a pines que se encuentran en el mismo borde y/o en la misma esquina del paquete IC, a menudo con todas las entradas (o salidas) también en el mismo borde. Como resultado, el reto consiste en dirigir las múltiples líneas de RF hacia y desde estos pines muy próximos entre sí en las placas de circuito impreso (PCB), manteniendo al mismo tiempo un aislamiento suficiente entre las líneas.
La segunda parte de esta serie de artículos analiza cómo la cantidad de aislamiento entre las líneas de transmisión afecta al rendimiento de los BFIC, ofrece directrices generales sobre cómo elegir la mejor topología de línea de transmisión en función de los requisitos de aislamiento de la aplicación y las geometrías de los BFIC, y explica cuál es la mejor forma de distribuir las líneas de transmisión muy próximas entre sí cerca del BFIC. Este artículo proporciona las dimensiones principalmente en milésimas de pulgada (1000 milésimas de pulgada equivalen a 1 pulgada). Para convertir de milésimas de pulgada a milímetros, multiplique por 0,0254.
Aislamiento: de línea de transmisión a línea de transmisión
En cualquier PCB, dos líneas de transmisión adyacentes tendrán cierto grado de acoplamiento entre ellas, ya sea eléctricamente y/o a través de los campos eléctricos y magnéticos (EM), lo que da como resultado un aislamiento no infinito. Existen grandes diferencias en el rendimiento del aislamiento entre las topologías de línea analizadas en la parte 1. El enrutamiento de la capa superior suele tener un peor aislamiento que las líneas enterradas debido al acoplamiento de campos. Más allá de la topología de línea elegida, los factores dominantes que afectan al aislamiento son la frecuencia de funcionamiento, la distancia entre las líneas y la distancia de enrutamiento paralelo de las líneas. Además, si se utiliza una topología enterrada, como una línea de banda, cualquier transición a la capa superior debe diseñarse cuidadosamente para mantener un buen aislamiento.
La figura 1 muestra una simulación EM de Keysight RFPro del aislamiento frente a la frecuencia para dos pares de topologías de líneas de transmisión: guía de onda coplanar con conexión a tierra (GCPW) y GCPW enterrada. La distancia entre centros de cada par de líneas se fijó en 60 milésimas de pulgada, con una distancia de enrutamiento paralelo de 200 milésimas de pulgada. Se utilizaron vías de tierra de seis milésimas de pulgada espaciadas 25 milésimas de pulgada entre centros para el cercado a ambos lados de cada línea. La GCPW tiene un aislamiento simulado peor que la GCPW enterrada. Es evidente que se debe elegir una topología enterrada cuando el aislamiento es crítico.
Figura 1. Aislamiento simulado de GCPW y GCPW enterrado.
GCPW frente a GCPW enterrado: la diferencia que pueden suponer 15 dB de aislamiento
Un aislamiento deficiente entre las líneas de transmisión en una placa de circuito impreso (PCB) puede ser especialmente problemático en aplicaciones en las que existe una gran diferencia entre los niveles de señal en las trazas respectivas. En un sistema de matriz en fase, si dos bloques adyacentes de amplitud y fase variables (VAP) funcionan con una atenuación mínima y máxima, el acoplamiento de señales parásitas degradará la linealidad de la función de control de ganancia del VAP en la ruta más atenuada. Este comportamiento se observó en el ADAR3001, un BFIC de 4 entradas y 4 salidas (similar al que se muestra en la figura 1 de la parte 1), en una PCB con líneas de transmisión GCPW. La PCB se rediseñó con GCPW enterrado para aumentar el aislamiento entre líneas.
El error de ganancia RMS es una cifra abstracta de mérito que indica la no linealidad del control de ganancia. En este caso, se midió el error de ganancia RMS en ambas versiones de la PCB. La figura 2a muestra el error de ganancia RMS de la PCB original con GCPW, mientras que la figura 2b muestra el error de ganancia RMS de la PCB rediseñada con GCPW enterrado. En la figura 2a, el error de ganancia RMS es significativamente peor cuando se utiliza el atenuador digital escalonado (DSA) del VAP en todo su rango. Esto es de esperar, ya que la aplicación es más susceptible a un aislamiento deficiente cuando la diferencia entre las atenuaciones del DSA es máxima.
El mayor aislamiento entre líneas de la placa GCPW enterrada mejoró significativamente los errores de ganancia RMS, alineándose con las simulaciones y mostrando el rendimiento real del BFIC. Estos resultados muestran que incluso una mejora moderada en el aislamiento de 15 dB a 30 GHz puede afectar drásticamente al rendimiento medido.
Figura 2. Errores rms del BFIC en una PCB con (a) líneas GCPW frente a una PCB con (b) GCPW enterrado.
Aislamiento de dos líneas paralelas
Por lo general, se asume que la topología de línea de banda ofrece el mejor aislamiento de las topologías mencionadas. Para comprobar esta suposición, se fabricó una placa experimental con el fin de ver cuánto aislamiento sobre la frecuencia se podía lograr con una topología de línea de banda. Se utilizó un diseño de línea de banda de 8 milésimas de pulgada de ancho en la capa 2 sobre dieléctricos Rogers 4003C de 8 milésimas de pulgada (capa 1 a capa 2) y 4450T de 8 milésimas de pulgada (capa 2 a capa 3). La distancia entre centros del par de líneas era de 76 milésimas de pulgada y la longitud del recorrido paralelo era de 300 milésimas de pulgada. Estas distancias se eligieron para emular aproximadamente el paso medio entre los pines de RF de muchos BFIC y el recorrido posterior que deben seguir las líneas antes de la salida a conectores coaxiales u otros dispositivos. Cada línea tenía su propia valla de vías con vías de 10 milésimas de pulgada y un paso entre centros de 18 milésimas de pulgada. La figura 3a muestra la disposición de la línea de banda en la capa 2 (no se muestran los planos de tierra de la capa 1 y la capa 3 que envuelven la línea de banda a ambos lados de los dieléctricos Rogers). La medición de aislamiento se muestra en la figura 3b y demuestra claramente que una línea de banda ininterrumpida con un cercado de vías estrecho ofrece un rendimiento óptimo y debe utilizarse cuando los requisitos de aislamiento son muy elevados.
Figura 3. Diseño de una placa experimental con diseño de línea de banda (se muestra la capa 2) y (b) los resultados de aislamiento de la placa.
El gráfico de aislamiento presenta ruido debido a que el aislamiento del par de líneas se encuentra en el límite de las capacidades de medición del analizador de redes vectoriales (VNA). El aislamiento medio en todas las frecuencias es superior a –80 dB. La disminución del aislamiento que se produce aproximadamente a 26 GHz se debe al VNA.
Aislamiento de dos líneas de banda paralelas con vías L1 a L2 espalda con espalda
En la misma placa experimental presentada en la sección anterior, se diseñó otro par de líneas de banda con los mismos atributos que antes (geometría de la línea, colocación de las vías, espaciado entre líneas y longitud de recorrido paralelo), pero se añadió un par de vías de transición (o de capa 1 a capa 2 consecutivas) a cada línea para ver cómo se degrada el aislamiento al pasar a la capa superior, como se muestra en la parte izquierda de la figura 4a. El enrutamiento de la capa superior se mantuvo corto, a 14 milésimas de pulgada entre los centros de las vías, como se muestra en la imagen ampliada de la derecha de la figura 4a.
Se midió el aislamiento en estas líneas de banda con vías de transición espalda con espalda (vías espalda con espalda de la capa 1 a la capa 2) y se observó que estaba degradado en comparación con las líneas que no tienen vías de transición, como se muestra en la figura 4b. Este experimento destaca la importancia
Figura 4. (a) Diseño de la placa experimental con vista ampliada (izquierda) y vista reducida (derecha) de un par de líneas de banda con vías de transición consecutivas y (b) aislamiento medido de la placa experimental con vías de transición.
Directrices sobre el enrutamiento de múltiples E/S de RF
Muchos circuitos integrados, en particular los formadores de haces de RF, tienen un elevado número de E/S de RF, lo que dificulta el enrutamiento y el mantenimiento de un buen rendimiento de RF. Además de una selección y un diseño cuidadosos de la topología de la línea de transmisión, es fundamental disponer de una conexión a tierra correcta mediante un cercado que llegue hasta el dispositivo para mantener el rendimiento de RF, en particular el aislamiento.
Qué línea de transmisión utilizar
La decisión sobre qué línea de transmisión utilizar debe basarse principalmente en los requisitos de aislamiento y las geometrías del BFIC. Por ejemplo, si el aislamiento solo tiene que ser de alrededor de -40 dB, entonces se puede utilizar con seguridad un GCPW. Si el aislamiento tiene que ser de alrededor de -65 dB, entonces es necesario utilizar una línea de banda. A continuación, se debe tener en cuenta la geometría del BFIC, principalmente el tamaño de cada pin, el paso entre pines y la distancia entre los pines de RF. Por ejemplo, si el BFIC es un BGA con un diámetro de bola de soldadura de 5,5 milésimas de pulgada/0,22 mm, una distancia entre pines de 10 milésimas de pulgada/0,4 mm y una distancia entre los pines RF más cercanos de 30 milésimas de pulgada/1,2 mm, y si el requisito de aislamiento es de -65 dB o superior, las geometrías del BFIC podrían admitir una línea de banda simétrica con unas dimensiones aproximadas de: 6 milésimas de pulgada de ancho de línea, 6 milésimas de pulgada de espesor dieléctrico (por encima y por debajo de la línea) y un espacio lateral de 10 milésimas de pulgada con respecto a tierra, suponiendo una constante dieléctrica en torno a tres. La regla general para las líneas de banda es que el espacio lateral con respecto a tierra sea aproximadamente el doble del ancho de la línea; unos espacios más pequeños empiezan a afectar a la impedancia de la línea. Las distancias más pequeñas entre los pines de RF requerirían un ancho más delgado, mientras que una distancia mayor entre los pines de RF permitiría una línea más ancha. Como se vio en la Parte 1, es preferible lo segundo, ya que hay más posibilidades de alcanzar los 50 Ω en la fabricación.
Enrutamiento cerca del dispositivo
Cuando se utiliza una línea de banda, se debe tener cuidado al realizar la transición al pin del dispositivo en la capa superior, ya que esta transición puede degradar significativamente el aislamiento si no se utilizan vías de conexión a tierra adecuadas. Para lograr el mayor aislamiento posible, la pared de tierra de las vías debe extenderse alrededor del extremo de la línea de banda en la transición del dispositivo, como se muestra en la figura 5. De este modo, se amplía la pared de tierra crítica necesaria para obtener el mejor rendimiento de aislamiento. El dispositivo también debe tener pines de tierra, protuberancias y/o paletas de tierra que rodeen el pin de señal y que coincidan aproximadamente con las vías de pared de tierra extendidas.
Figura 5. Vías que se extienden alrededor de la línea de transmisión en el dispositivo y van a una sola fila de vías entre líneas.
Los pines de E/S de RF que se encuentran a poca distancia entre sí pueden no proporcionar suficiente área para que cada línea de transmisión mantenga su misma valla de vía hasta el dispositivo. Dependiendo del área disponible, las opciones típicas para la valla de vía son:
1. Utilizar vías más pequeñas si no infringen las normas de relación de aspecto del fabricante para el espesor dieléctrico.
2. Escalonar las vías en un patrón en forma de diente de sierra donde haya una cantidad moderada de área si la ausencia de una vía en una de las líneas en la interfaz del dispositivo no degrada el aislamiento.
3. Como se muestra en la figura 5, pasar a una sola fila de vías entre las líneas utilizando un tamaño de vía mayor, manteniendo la misma distancia entre los bordes de los orificios de las vías que en las vías más pequeñas; esto mantiene el rendimiento del aislamiento.
4. Pase a una sola fila de vías entre las líneas utilizando el mismo tamaño de vía, cuando el espacio entre las líneas sea muy limitado.
La decisión de cuándo y cómo realizar el fanout depende en gran medida de la ubicación de los pines de E/S de RF entre sí en el dispositivo.
La regla general es que la distribución debe realizarse tan pronto como sea posible para reducir los tramos paralelos y mantener así el mayor aislamiento posible. Como se ve en la figura 5, la distribución puede realizarse inmediatamente debido a las posiciones relativas de los pines de E/S de RF mostrados (y los pines que no se muestran). Sin embargo, la figura 6 muestra la distribución de un dispositivo de 2 canales y 8 salidas en el que cada canal tiene un conmutador 1:4 como etapa de salida, que acciona cuatro líneas de transmisión de diferentes distancias de recorrido paralelo. En este caso, la distribución también se vio limitada por el enrutamiento de E/S no RF y los circuitos asociados en los lados norte y sur del dispositivo, lo que limitó dónde y cómo se podían enrutar las ocho líneas de transmisión.
Figura 6. Fanout de ocho salidas RF de un dispositivo de 2 canales.
Conclusión
La llegada de los formadores de haces multicanal de alta frecuencia y otros circuitos integrados de RF está haciendo que el diseño de PCB sea más complicado, tanto en términos de precisión de la línea de transmisión y la transición (como se discutió en la Parte 1), como en el mantenimiento del alto aislamiento entre canales necesario para mantener el rendimiento del dispositivo (como se discutió en la Parte 2). Los diseños de líneas de transmisión de RF están pasando por una migración forzada desde guías de onda coplanares con conexión a tierra a nivel de superficie a líneas de banda enterradas, pero incluso con los diseños de líneas de banda enterradas, se debe tener cuidado de mantener el aislamiento entre las trazas adyacentes utilizando vallas de vía muy próximas entre sí que rodeen completamente los pines del dispositivo. Además, la rápida dispersión de trazas muy próximas entre sí desde el dispositivo, lo que crea una separación entre las trazas, es útil para mantener un alto aislamiento.
Acerca del autor
Joel Dobler es ingeniero principal de aplicaciones de productos en el Grupo Aeroespacial, de Defensa y Comunicaciones, donde se centra en productos formadores de haces, pero también presta apoyo a moduladores vectoriales y filtros de paso bajo programables. Trabaja para Analog Devices desde 2006, donde presta apoyo a una amplia gama de productos de RF, incluidos detectores logarítmicos y RMS, amplificadores de ganancia variable digitales y analógicos, mezcladores y demoduladores I/Q. Obtuvo su licenciatura en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Estatal de Washington en 2005 y su máster en Ingeniería Eléctrica en la Universidad Estatal de Portland en 200
