使用模式选择传输线利用毫米波路由

2022-04-14

使用模式选择传输线利用毫米波路由

高速PCB正在将数据速率推高，对互连提出了严格的设计要求，以确保信号完整性和低损耗。射频PCB的基板集成波导路由，作为高频路由的一种选择。这种类型的传输线提供了出色的隔离，对于简单的天线转换非常有用，但它并不是高频设计布线的唯一选择。

模式选择传输线是共面波导配置的一种变体，用于在非常高频率的组件之间路由信号。使用模式选择传输线或其他几何结构的目标是通过单模传播在特定带宽内提供低色散和低损耗路由。在本文中，我将介绍共面波导的这种简单变化，以及如何使用模式选择传输线为 RF 应用提供具有模式选择的高隔离路由。

高速通过射频设计弥合差距

无论您是数字设计师还是RF设计师，将高速数字通道推向更高频率都迫使每个人在设计期间都采用RF概念。

请记住，标准PCB走线是TEM传输线，这意味着沿走线传播的波近似为平面波。这一直保持在低频，直到您开始达到中 GHz 带宽（远高于 WiFi 频率！）。当您达到足够高的频率时，您将开始注意到电磁场中的行为，这完全是由于结构中的波传播而产生的。这是替代传输线几何形状可用于抑制高阶（非TEM）模式并确保以所需带宽传播到接收器的地方。

使用TEM传输线的替代方案进行布线

由于我上面列出的原因，一些波导几何形状在非常高的频率和非常高的数据速率应用中可能更理想，因为它们可以设计为允许单模路由，或者更确切地说，它们可以防止PCB中非TEM 模式的激发波导。其中一些替代路由几何结构是：

衬底集成波导。查看本文以了解有关这些结构的更多信息。我已经使用它们在表面上带有一个槽来连接到传统的微波波导法兰。 

同轴带状线波导。这种波导样式有一条带状线在基板集成波导内部布线，总共涉及 3 层。该波导中的通孔壁提供隔离并允许多种模式选择。 

模式选择传输线。这是共面波导布线的一种变体，并提供了许多相同的优点。

如果您查看研究文献，这些替代布线方式已经存在了很长时间，并且已经证明了它们在高达数百GHz的布线方面的可行性。这些波导结构很容易用标准制造技术生产，但一旦我们达到极高的频率，它们也会受到限制。其中，模式选择传输线 (MSTL)可以通过接地共面波导几何 (GCPW)轻松生产，如下所示。

接地共面波导 (GCPW)和模式选择传输线 (MSTL)。

高频下的MSTL行为（TE 模式）

激发的特定模式将取决于几个因素，但主要取决于互连几何形状。特别是，随着信号频率的增加，传统微带或带状线迹线中的横模将被激发，这对于数字和射频布线都是不希望的。这就是我们遇到传统传输线的信号完整性限制的原因，特别是因为我们受到传统PCB制造工艺的限制。对于需要在高 GHz 频率下布线的设计人员，如果您正在设计RF系统，您可以设计GPCW结构以展示MSTL结构，或者如果您正在使用它，您可以将其设计为具有数字信号的最大带宽一个高速数字系统。

要了解这是如何产生的，请查看下图。这里我们有一些参数可以用来控制这个结构中的模式频率。在低频下，该结构就像一个简单的 TEM 波导，因为传播波低于共振。在更高的频率之上，结构中的模式被激发，导致 S 参数光谱中的峰和谷。结构中的每个高阶模式都有一个截止频率，简单地激发高于截止频率的结构将导致电磁场以非 TEM 模式传播通过该结构。这种高阶模式激发的可能性是TEM 传输线的基本限制之一。

显示 GPCW 如何过渡到 MSTL 结构的功率损耗数据。

如果您查看上述参考资料和这篇关于共面波导中数字信号的文章，您会发现相应的S参数数据有助于解释上面显示的功率损耗峰值。

这一切发生的原因是波通过结构传播，它可以激发标准互连上模式的形成。当波的载波频率足够高时，它可能会激发PCB中传输线结构中的某些模式。这将在插入损耗和回波损耗光谱中产生波峰和波谷。如果您有数字信号，这些功率损耗峰值会告诉您信号可能会失真。对于模拟信号，它将信号的频率限制在不会发生过度损耗和失真的特定范围内。

这不就是一个接地的共面波导吗？

是的！但是，使这种波导重要的是与载波信号波长相比的宽度。通孔之间的间距是您用来控制有用带宽的最重要的机制。通孔之间宽度的这种简单变化并不是接地共面传输线和模式选择传输线之间的唯一区别，但它是用于预测模式激发和标准 TEM 传输线击穿的主要点。

只是为了比较 GCPW 行为和 MSTL 行为期间发生的情况，请看下图。该图显示了当信号频率变得非常高并导致非 TEM 模式激发时会发生什么。TEM 模式不会产生纵向磁场的激发（顶行中的 Hz = 0）。在更高的频率下，我们现在可以激发 TE 模式，该模式将具有纵向场分量。

TEM 模式中的电磁场（上图）和更高频率的 TE 模式。

在典型的微带线或带状线中，您最终会激发平行板波导模式。不幸的是，在这些几何形状中，除了使层压板更薄之外，没有办法抑制这些模式，这最终会达到其极限并且不适用于所有设计。

如上所示，波导具有几何参数，可以通过选择适当的几何形状来调整以允许或抑制各种模式。模式选择传输线的结构使其具有以下特点：

高隔离。这是在任何波导中布线的主要好处，包括模式选择传输线。沿边缘的接地过孔栅栏提供对其他走线的屏蔽。

模式抑制。模式选择传输线中的模式是基板集成波导模式和中心导体的准 TEM 模式的组合。沿边缘的通孔栅栏间距可用于抑制衬底波导模式以确保单模传播。

宽带低色散。通过抑制表面波，您可以确保平坦色散到比微带线或带状线更高的带宽。通过在更宽的带宽上保持较低的色散，目标阻抗的失真和偏差会更小，这也抑制了在接收器上看到的符号间干扰。 

在PCB中路由模式选择传输线

对模式选择传输线等共面波导几何结构进行布线需要使用正确的CAD工具集。这是路由这些线路的简单过程：

计算您将使用的所需模式的波阻抗。为此，只需计算所需的传播常数并使用射频设计教科书中的标准波阻抗方程即可。

在您的模式选择传输线网络和任何附近的接地多边形之间设置所需的间隙。

用接地铜填充布线网络周围的区域。

在选定的多边形上放置缝合过孔以击中您的 VL、VP 和 SGW 目标。

下面的示例结构旨在提供 127.2 GHz 的 50 欧姆阻抗。它在 30 mil RO3003 上布线，以提供低损耗特性。它仍然需要进行一些 DFM 检查以确保其可以制造，但间距、通孔尺寸和孔壁到孔壁的分离最初适合该结构以提供低损耗低失真波传播。

通过工具进行多边形浇注和缝合，模式选择传输线布线很容易。

这种传输线几何结构已被证明允许每秒传输太比特数据，它可能很快成为高速设计领域的关键部分。在上面的RF线示例中，如果我们想在结构中激发特定模式，我们可以改变VL和VP以使第一模式截止频率较低。