Los beneficios de Coplanar Waveguide en el diseño de PCB de alta frecuencia

Puntos Clave

La guía de onda coplanar (especialmente GCPW) mejora el rendimiento de las PCB de alta frecuencia al mantener la ruta de retorno cercana y confinar los campos, lo que aumenta la integridad de la señal y reduce la EMI/radiación. También ofrece más flexibilidad de impedancia/diseño (ajustando tanto el ancho de la traza como la separación), pero exige un control de fabricación más estricto de las tolerancias de separación, la rugosidad del cobre y el Dk/Df del material, por lo que el diseño de impedancia con solucionador de campo y las comprobaciones DFM son esenciales, prefiriéndose los laminados de bajas pérdidas a GHz más altos.

¿Alguna vez se ha preguntado por qué hay diseños de PCB de RF y microondas que enrutan cobre de tierra justo al lado de la traza en la misma capa? Este último método se conoce como guía de onda coplanar, y se ha convertido sutilmente en una de las estructuras de línea de transmisión más significativas en el diseño de PCB de alta frecuencia. Las guías de onda coplanares son omnipresentes en la electrónica actual, en estaciones base que operan 5G y módulos de radar automotriz a 77 GHz. Cuando se diseñan placas con frecuencias superiores a 1 GHz, la geometría de la línea de transmisión que seleccione influirá directamente en la integridad de la señal, el rendimiento EMI y el rendimiento de fabricación.

La microcinta y la stripline han dominado durante décadas, pero la guía de onda coplanar ha tenido un conjunto distinto de ventajas, que la han convertido en la favorita en muchas aplicaciones de alta frecuencia. Este artículo discutirá qué es una guía de onda coplanar, por qué es importante, los principales beneficios de usar el método en diseños de alta frecuencia, los métodos de diseño más importantes y qué consideraciones de fabricación pueden garantizar buenos resultados. Ya sea un módulo frontal de RF o un enlace digital de alta velocidad, conocer la guía de onda coplanar le proporcionará otra potente arma en su arsenal de diseño de PCB.

Qué es la guía de onda coplanar y por qué es importante

Definición y principio de funcionamiento básico

Una guía de onda coplanar (CPW) es una forma de línea de transmisión plana en la que las trazas de tierra y señal están ambas en la misma capa de PCB. El circuito está formado por un conductor central (la traza de señal) y dos planos de tierra a cada lado, con una pequeña separación entre ellos. Los tres conductores descansan sobre el sustrato dieléctrico.

La traza de señal se propaga mediante la onda electromagnética, cuyo campo eléctrico se concentra principalmente en los espacios entre la traza de señal y los planos de tierra adyacentes. Esto contrasta fuertemente con una microcinta, donde la corriente de retorno se transporta en un plano de tierra independiente debajo del sustrato. En una CPW, la ruta de retorno está justo en la misma capa superficial.

Hay dos variantes principales que encontrará en la práctica:

• CPW estándar (Sin conexión a tierra): La traza de señal y los planos de tierra coplanares están en la superficie superior, y no hay un plano de tierra debajo. Esto es más simple y no se usa en PCB reales.
• CPW con respaldo de conductor (CBCPW): Esto es similar a la guía de onda coplanar conectada a tierra (GCPW), excepto que se incluye un plano de tierra en la capa inferior con las tierras coplanares unidas mediante vías. Es la más comúnmente utilizada en PCB de producción, ya que proporciona un aislamiento superior y una ruta de retorno más rígida.

La impedancia característica de una CPW está determinada por el ancho de la traza de señal (W), la separación entre la traza y los planos de tierra (G), el grosor del sustrato (H) y la constante dieléctrica (Dk) del material del sustrato. La CPW estándar de 50 ohmios en un FR4 estándar (Dk = 4.4) podría implementarse con un ancho de traza de aproximadamente 0.3 mm con una separación de 0.15 mm entre trazas, pero estos valores varían mucho con la configuración de capas.

Cuándo elegir la guía de onda coplanar frente a otras líneas de transmisión

Entonces, ¿cuándo tiene más sentido una guía de onda coplanar que una microcinta o stripline tradicional? La frecuencia, la integración de componentes y la flexibilidad de diseño son las respuestas. La CPW es especialmente deseable a frecuencias superiores a 10 GHz, cuando el rendimiento de la microcinta comienza a deteriorarse debido a la radiación de ondas superficiales y al aumento de la dispersión. La CPW es la opción predeterminada en frecuencias de ondas milimétricas (30 GHz y superiores) debido a sus mejores propiedades de alta frecuencia.

Aquí hay una comparación rápida para ayudarle a decidir:

Entre los beneficios prácticos más significativos está que la CPW le permite colocar componentes de montaje superficial directamente en la línea de transmisión, sin vías a un plano de tierra subyacente. Esto elimina la inductancia que puede representar un problema significativo a frecuencias superiores a 20 GHz. La CPW es la opción intuitiva y, con frecuencia, la única viable cuando las almohadillas de tierra de los paquetes MMIC (Circuito Integrado de Microondas Monolítico) están en la misma superficie que las almohadillas de señal.

Ventajas clave para aplicaciones de alta frecuencia

Integridad de señal superior y pérdidas reducidas

Las ventajas de integridad de señal de la guía de onda coplanar aumentan a medida que se incrementa la frecuencia. ¿Por qué no desentrañarlo? Para empezar, la CPW tiene menos dispersión que la microcinta a altas frecuencias. El campo electromagnético en una microcinta es un modo híbrido con una constante dieléctrica efectiva que varía con la frecuencia y es una mezcla del campo en el sustrato y el campo en el aire. La CPW concentra más el campo en los espacios entre conductores, resultando en un modo de propagación más uniforme y menos distorsión de la señal a lo largo de un amplio ancho de banda.

En segundo lugar, la pérdida por radiación se minimiza considerablemente. Las líneas de microcinta tienen una mayor tendencia a irradiar energía a una frecuencia más alta, particularmente en discontinuidades como curvas y uniones. Una estructura CPW tiene planos de tierra coplanares que proporcionan blindajes naturales para confinar el campo electromagnético cerca de la traza. En tercer lugar, el diseño CPW elimina una fuente significativa de inductancia parásita y discontinuidad de impedancia debido al reducido número de vías. Todas las vías en una ruta de señal de alta frecuencia contribuyen con un pequeño bache en la impedancia. La CPW reduce estas discontinuidades al asegurar que el retorno de tierra en la misma capa que la señal sea el mismo.

Mejor blindaje EMI y flexibilidad de diseño compacto

La traza de señal está rodeada por planos de tierra coplanares, que forman un escudo electromagnético natural. Esta es una de las ventajas menos conocidas de la CPW en diseños de PCB gruesos y multifunción.

Los siguientes son los principales beneficios de EMI y diseño:

• Las tierras coplanares minimizan la diafonía entre líneas de transmisión adyacentes al ofrecer un confinamiento electromagnético instantáneo en la propia capa de señal.
• En diseños GCPW, las tierras coplanares y el plano de tierra inferior forman un entorno casi blindado similar a la stripline, excepto que se dispone de la facilidad de montaje de componentes de la microcinta.
• La costura de los bordes de la CPW a tierra proporciona una útil cerca de vías que encapsula adicionalmente el campo electromagnético.
• La CPW permite ajustar la impedancia variando el ancho de la traza y la separación, dando a los diseñadores una mayor flexibilidad para alcanzar la impedancia deseada en enrutamientos estrechos.

Este es un punto particularmente útil. En microcinta, el ancho de traza es el único control real que tiene para controlar la impedancia (usando una configuración de capas fija). La CPW tiene dos variables independientes: ancho de traza y ancho de separación. Esto implica que puede obtener 50 ohmios con una traza más pequeña teniendo una separación más pequeña, lo cual es una enorme ventaja en diseños compactos cuando el enrutamiento está restringido.

Técnicas de diseño esenciales para la guía de onda coplanar

Cálculo de impedancia y optimización de dimensiones de línea

La base de cualquier diseño de guía de onda coplanar es conseguir la impedancia correcta. La impedancia característica de la CPW es una variable determinada por cuatro variables principales:

• Ancho de la traza de señal (W): Las trazas más anchas reducen la impedancia.
• Ancho de la separación (G): Separaciones más grandes aumentan la impedancia.
• Grosor del sustrato (H): Los sustratos más gruesos aumentan ligeramente la impedancia.
• Constante dieléctrica (Dk): A mayor Dk, menor impedancia.

En el caso de una CPW típica (sin conexión a tierra), la impedancia se expresa como una relación de W / (W + 2G) y es una función de integrales elípticas completas. La ecuación simplificada es:

Z0 = (30  pi) / (sqrt(Dk_eff)  (K(k) / K'(k)))

En la cual K(k) representa la integral elíptica completa de primer tipo, y K'(k) es el complemento. En realidad, no calculará esto a mano, sino que usará un solucionador de campo o una calculadora de impedancia. En el caso de GCPW (con respaldo de conductor), el plano de tierra subyacente también afecta la impedancia, y el cálculo es más complejo. Los sistemas EDA más recientes, como EasyEDA, Altium Designer y el propio KiCad, tienen calculadoras de impedancia incorporadas o son compatibles con solucionadores de campo como Si9000, que pueden calcular con precisión geometrías GCPW.

Aquí hay algunas reglas de diseño prácticas para GCPW de 50 ohmios:

Configuración del Plano de Tierra y Reglas de Colocación de Vías

Las vías a tierra en un diseño GCPW no son solo algo deseable. Desempeñan un papel crucial para asegurar la integridad de la señal y evitar modos de guía de onda de placas paralelas no deseados entre la tierra coplanar y el plano de tierra inferior.

Estas son las reglas de colocación de diseños GCPW fiables:

• Coloque vías a tierra a lo largo de ambos lados de la traza de señal CPW a intervalos regulares.
• En su frecuencia de operación más alta, mantenga la separación entre vías inferior a 1/20 de lambda. En el caso de un diseño de 10 GHz en FR4, esto equivaldría a un espaciado de no más de 0.7 mm entre vías.
• Instale la primera fila de vías tan cerca del borde de la separación como lo permitan sus reglas de fabricación, generalmente a 0.2 a 0.3 mm de distancia.
• Se deben usar vías escalonadas en más de una fila para formar una cerca de vías más efectiva a frecuencias superiores a 20 GHz.
• En las transiciones (curvas, uniones en T, almohadillas de componentes), añada densidad de vías para compensar la discontinuidad.
• Asegúrese de que el ancho mínimo de un plano de tierra coplanar en ambos lados de la traza de señal sea al menos tres veces el ancho de la separación (3G mínimo, 5G preferido).

El plano debajo de la traza de señal debe ser completo y continuo. Cualquier ranura, recorte o división del plano a lo largo de una traza CPW causará discontinuidades de impedancia, y el rendimiento se verá gravemente afectado. Es el mismo principio que la microcinta, excepto que en CPW, es más importante ya que la corriente de retorno está en las tierras coplanares y en el plano inferior al mismo tiempo.

Consideraciones de fabricación para PCB de guía de onda coplanar fiables

Grabado de precisión y control del perfil de cobre

En comparación con los diseños de microcinta normales, las PCB de guía de onda coplanar requieren una mayor tolerancia de fabricación. Esto se debe a que la impedancia es muy sensible al ancho de la separación, y las separaciones suelen ser mucho más estrechas que los anchos de traza. Un paso de 0.15 mm con una tolerancia de grabado de +/- 0.025 mm indica que su separación puede estar dentro de un rango de 33, lo cual es directamente proporcional a los cambios en la impedancia.

Los factores de fabricación críticos son:

Control del factor de grabado: La forma transversal del grabado químico es trapezoidal y, por lo tanto, la separación en la parte superior del cobre difiere de la separación en la superficie del sustrato. En el caso de cobre de 1 oz (35 um), el socavado del grabado puede ser de 20 a 30 um por lado.

Rugosidad de la superficie del cobre: Por encima de 5 GHz, la profundidad pelicular es del orden de la rugosidad de la superficie del cobre. El cobre rugoso aumenta la pérdida del conductor. La lámina de cobre FR4 estándar tiene una rugosidad Rz de aproximadamente 6 a 10 um, mientras que las láminas de bajo perfil (HVLP, VLP) la reducen a 2 a 3 um.

Separación mínima: No todos los fabricantes son capaces de hacer consistentemente las estrechas separaciones necesarias para soportar CPW de alta frecuencia. Los procesos de PCB estándar pueden acomodar separaciones tan estrechas como 0.1 mm (4 mil), aunque procesos más sofisticados pueden acomodar 0.075 mm (3 mil) o menos.

Selección de materiales y gestión de tolerancias

El material del sustrato tiene un impacto masivo en el rendimiento de la guía de onda coplanar, especialmente a altas frecuencias. Esto es lo que debe considerar al seleccionar materiales:

En diseños por debajo de 6 GHz, puede usar FR4 estándar o de alta velocidad en lugar de GCPW, asumiendo que considera la diferencia en Dk en su análisis de impedancia. La tangente de pérdidas del FR4 estándar comienza a perjudicar significativamente la calidad de la señal por encima de 6 GHz, y debería cambiar a materiales de bajas pérdidas como la serie Rogers RO4000. La tolerancia Dk es especialmente significativa en CPW ya que tiene un impacto directo en la precisión de la impedancia. Incluso con un grabado ideal, el FR4 estándar con una variación de Dk de +/- 10% puede exhibir oscilaciones de impedancia del 5% o más. Los materiales Rogers con una tolerancia de Dk de +/- 1.5% ofrecen un control de impedancia mucho mejor, y esta es la razón por la que la mayoría de las aplicaciones serias de RF y ondas mm se especifican con material Rogers.

Experiencia de JLCPCB en la producción de PCB de guía de onda coplanar

Capacidades de fabricación avanzadas para diseños de alta frecuencia

La fabricación necesita ir más allá de la producción normal de placas para producir PCB de guía de onda coplanar fiables. JLCPCB proporciona las herramientas necesarias para realizar los diseños CPW de alta frecuencia, como la fabricación con impedancia controlada con una tolerancia tan fina como +/- 10%. Sus características pertinentes para la fabricación de CPW son el soporte de anchos mínimos de traza y separación de 3.5 mil (0.09 mm), lo que abarca la mayoría de las geometrías GCPW realistas. Existen varios materiales de sustrato de alta frecuencia, como Rogers RO4350B, RO4003C y otros laminados de bajas pérdidas que son críticos en diseños por encima de 6 GHz.

Soporte DFM integrado y resultados consistentes de alto rendimiento

Su revisión de Diseño para la Manufacturabilidad (DFM) es uno de los elementos más importantes de los diseños de guía de onda coplanar que JLCPCB puede ofrecer. Cuando envía sus archivos Gerber, su departamento de ingeniería valida sus geometrías CPW con sus capacidades de fabricación e identifica cualquier posible problema antes de que comience el proceso de fabricación.

Esto es particularmente crucial para CPW ya que:

• Los anchos de separación que son demasiado pequeños para ser grabados de forma fiable se marcan temprano.
• La colocación de vías alrededor de los bordes de la separación se verifica con las tolerancias de registro de perforación.
• Los requisitos de control de impedancia se comparan con los lotes de material disponibles.

El sistema de cotización instantánea también le permite determinar al instante el impacto en el coste de las diversas opciones de diseño, incluyendo cambiar de FR4 a Rogers o los requisitos de impedancia controlada. Este mecanismo de retroalimentación rápida le permite elaborar el mejor diseño en términos de rendimiento y coste antes de tomar la decisión de producir.

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Soluciones escalables desde prototipo hasta fabricación en volumen

Los diseños de guías de onda coplanares generalmente comienzan con prototipos que requieren una rápida entrega para ser validados y ajustados. El tiempo de entrega de 1-2 días de JLCPCB para producir placas estándar y los plazos competitivos en materiales avanzados, le permiten iterar rápidamente en sus diseños CPW.

Los diseños CPW también combinan bien con el servicio de ensamblaje SMT. Ahora que las estructuras de guía de onda coplanar están hechas de manera única con una fácil integración de componentes de montaje superficial, el ensamblaje y la fabricación por la misma fuente, garantiza que la precisión de colocación de componentes sea tan buena como la geometría de su línea de transmisión. JLCPCB ha hecho que sea barato prototipar y refinar sus diseños de guía de onda coplanar de alta frecuencia, comenzando desde solo $2 para fabricar una PCB, y esténciles desde tan solo 6$.

Preguntas frecuentes sobre la guía de onda coplanar