Что не так с моим 50-омным заземленным копланарным волноводом?

Я работал над четырехслойным дизайном, построенным на основе EFR32BG13 Bluetooth Low Energy SoC. Пытаясь измерить импеданс антенны для построения согласующей цепи, я обнаружил, что моя короткозамкнутая линия с копланарным волноводом (GCPW) действовала больше как антенна, чем линия передачи.

Чтобы сузить причину проблемы, я построил простую 4-слойную тестовую плату линии передачи, которая изображена здесь:

Доска квадратная 100 мм. У меня были эти платы, изготовленные ALLPCB, которые определяют 35 мкм меди на всех слоях и 0,175 мм диэлектрика (диэлектрическая проницаемость 4,29) между первыми двумя слоями. Используя AppCAD, я обнаружил, что конструкция с шириной трассы 0,35 мм и зазором 0,25 мм дает импеданс 48,5 Ом. Верхний слой для доски показан красным сверху. Другие три слоя - это наземные плоскости, которые выглядят так:

Сегодня я получил платы и начал тестирование S21 для второй секции снизу - прямой кусок GCPW с разъемами SMA на обоих концах. Я использовал HP 8753C / HP 85047A с коротким коаксиальным кабелем, подключенным к портам 1 и 2, и тестовую плату, подключенную между этими коаксиальными длинами. К моему большому удивлению, вот что я увидел:

На частоте 2,45 ГГц моя линия передачи имеет отклик -10 дБ. Если я заменю плату на «сквозной» разъем, я точно получу то, что ожидал:

Я немного растерялся, так как думал, что первым тестом будет хлам, и я начну находить проблемы с более сложными тестами над ним. У меня есть VNA и сильное желание узнать, что я здесь делаю неправильно. Можете ли вы увидеть какие-либо проблемы с моим методом тестирования или с самой конструкцией GCPW? Любая помощь будет принята с благодарностью!

Редактировать: Как предложено Neil_UK, я удалил термики на одной плате, соскребая маску припоя, а затем перекрывая зазор припоем. Измерение S11 и S21 с этой конфигурацией дает следующий результат:

Сравнивая график S21 с предыдущим результатом, кажется, нет заметной разницы.

Редактировать 2: По предложению mkeith, я разделил одну из «полосок» моей тестовой доски на остальные, используя старый метод «забей и разбей». Доска, которую я выбрал для разрыва, - это та же самая доска, на которой я убрал термики, так что этот результат является дальнейшим изменением предыдущего графика. Вот:

На графике S11 имеется углубление впадин, но нет значительного улучшения функциональности платы в качестве линии передачи.

Редактировать 3: Вот фотография платы в ее самом последнем варианте:

Изменить 4: Макро снимки обеих сторон одного разъема SMA:

Разъем SMA - Molex 0732511150. Заземление платы соответствует рекомендациям, приведенным здесь:

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

Изменить 5: Вот поперечное сечение доски возле одного края:

Зеленые линии масштабируются от спецификаций производителя, которые скопированы здесь:

Изменить 6: Вот фотография сверху вниз доски с красными линиями шкалы, показывающими ожидаемые размеры:

Изменить 7: Чтобы проверить эффект большого центра SMA земли, я вырезал центральную площадку на одной доске так, чтобы она была такой же ширины, как и остальная часть трассы. Затем я использовал медную ленту для расширения основания с обеих сторон:

Затем я перепроверил S11 и S21:

Похоже, что это значительно улучшило S11, что позволяет мне полагать, что большая центральная земля фактически создала емкость на любом конце линии, что привело к резонансу.

Редактировать 8: В поисках руководства по переходу от SMA к GCPW я наткнулся на этот технический документ:

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

Хотя в статье конкретно говорится об использовании высокочастотного субстрата, я думаю, что многое из этого по-прежнему применимо здесь. Для меня выделяются два основных момента:

1. GCPW должен пройти весь путь до края доски.
2. В разъемах SMA высокочастотного запуска используется центральный контакт, который короче и уже, чтобы минимизировать его влияние на GCPW. Они могут быть более подходящими для такого применения с тонким центральным проводником на линии передачи.

Вы не должны использовать термики при заземлении SMA. Эти наземные вкладки должны идти прямо на большую непрерывную наземную плоскость. Паять его будет не сложнее, так как большая часть SMA должна быть нагрета в любом случае, поэтому нет необходимости в этих трех печатных катушках индуктивности в основании каждой SMA.

Если вы посмотрите на рябь на графике S21, повторяющаяся рябь будет соответствовать наличию плохих точек совпадения, разнесенных по ширине доски. Это может быть не вся история, но разобраться с этой очевидной проблемой, прежде чем искать более тонкие детали.

Вам не нужно переделывать доски, вы можете соскрести любой резист и соединить порезы припоем как быстрое решение. Отредактируйте свой пост и добавьте новые измерения, когда вы это сделаете. Кстати, S11 обычно является более чувствительным измерением для «ожидаемых хороших» линий, чем S21, хотя я согласен, этот S21 довольно плох.

Что такое материал доски (не важная деталь)?

(редактировать)

Так что это не термики, мы полагаем, что только на 3 ГГц.

Линия рассчитана правильно? С этими размерами этот калькулятор дает 48,93, но он явно использует медь нулевой толщины. Этот дает 47.42 с медью 35um, и соглашается с другим для нулевой толщины, таким образом, дизайн выглядит правдоподобным. Эти отличия от того, что вы предположили, недостаточны для объяснения измерений.

Правильно ли изготовлена ​​плата?

Ширина и размеры зазора будет легко измерить с помощью микроскопа. Толщина подложки будет более сложной. Диэлектрическая проницаемость подложки еще сложнее. FR4 может варьироваться в зависимости от толщины и соотношения стекло / смола. Это сердцевина слоя 0,175 мм, или предварительно preg? Помните, что при сборке предварительный прег может значительно отличаться от сердечника, так как условия сборки не так хорошо контролируются, как при изготовлении сердечника.$\varepsilon_r$

Измерение емкости на куске платы, отрезанной от тестовой платы вдали от отверстий для прошивания грунта, даст вам общую толщину и диэлектрическую проницаемость. Электрическое измерение длины на ваших испытательных образцах даст вам по существу диэлектрическую постоянную с небольшим вкладом от геометрии.

Для вас будет несложно смоделировать длину линии передачи и отрегулировать длину, полное сопротивление и потери, пока симулированные S11 и S21 не будут соответствовать вашим измерениям, вы даже можете попросить оптимизатора сделать это автоматически для вас. Это правдоподобная модель для ваших результатов?

Я неожиданно заметил, что ваши сигнальные вкладки на разъемах очень широкие, что создаст короткую длину линии с очень низким импедансом на каждом разъеме, хотя при такой длине моделирование в виде сосредоточенного C, вероятно, будет адекватным для 3GHz. Добавьте в свою модель две сосредоточенные буквы C и попытайтесь приспособить эти моделирования к своим результатам. Опубликуйте увеличенную область интерфейса соединителя, чтобы мы могли видеть, что там происходит правильно.

(/редактировать)

Я думаю, что вы неверно истолковали таблицу данных, или, скорее, вы не учли тот факт, что у вас есть 4 слоя и основание на верхнем слое, рекомендации по дизайну не требуют этого с этим макетом.

Это говорит "медь на нижней (наземной) стороне"

Вот как я интерпретирую таблицу данных;

Ширина центральной площадки спроектирована так, чтобы она была хорошо согласована / имела импеданс около 50 Ом, если у вас есть доска ДВОЙНОГО СЛОЯ (не 4 слоя) толщиной 1,57 мм с ТОЛЬКО плоскостью заземления внизу (~ 1,6 мм ниже дорожки), то есть почему также, если вы посмотрите на трек, отходящий от терминала, он станет еще шире, потому что для платы 1,6 мм с заземлением только снизу вам понадобится очень широкая колея, чтобы получить сопротивление 50 Ом.

Если вы не удалили медь в двух средних слоях меди под центральной площадкой, вы переместили плоскость заземления намного ближе, чем это предполагается в соответствии со спецификациями проекта. а также потому, что у вас есть земля на верхней плоскости, вы также изменили сопротивление с этого. Ваше расстояние между центральными и заземляющими площадками, указанное в техническом описании, не должно быть заполнено плоскостью заземления.