Современная электроника №5/2024

ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИbМОДЕЛИРОВАНИЕ 37 WWW.SOEL.RU СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА • № 5 / 2024 Учёт и оценка влияния параметров переходного отверстия на передачу высокочастотного сигнала В статье оценивается влияние переходного отверстия на потери сигнала в линии передачи . Оценка выполняется с помощью расчёта коэффициентов S- матрицы . Подчёркивается необходимость реализации вычисления первичных и вторичных параметров межслойного перехода непосредственно в САПР печатных плат . Виктор Ухин , Вячеслав Кухарук , Ольга Смирнова ( компания « ЭРЕМЕКС »), Дмитрий Коломенский ( Центр технологий материалов , Сколковский институт науки и технологий ) Без контроля ёмкости , индуктивности и импеданса линий передач практиче - ски невозможно спроектировать совре - менное электронное устройство . Это характерно для всех видов аппаратуры . Когда говорят о линиях передачи , реа - лизованных на печатной плате , то часто подразумевают опорный слой и прово - дяник определённого поперечного сече - ния в среде диэлектрика ( рис . 1) [1, 2]. На рисунке выше представлен « иде - альный » случай , когда сигнальная линия размещена только на одном слое . Такая конфигурация не всегда реализуема , особенно на печатных пла - тах высокой плотности (HDI). В HDI- устройствах трасса , по которой распро - страняется высокочастотный сигнал , может располагаться на разных слоях и совершать переход через отверстия . Инженер контролирует параметры про - водника , но игнорирует межслойный переход . Часто его выбирают из сообра - жения технологичности и возможности размещения . В результате появляются искажения сигнала , так как линия ста - новится несогласованной . В статье оценим влияние межслой - ного перехода в линии передачи на потери , выполнив моделирование в модуле HFSS 3D Layout программы Ansys [3]. Проводник представим как двухпортовую систему ( рис . 2) и вычис - лим коэффициенты S11, S21 для линии с отверстием и без него в частотном диапазоне от 1 ГГц до 10 ГГц . Коэффициенты S11 и S21 рассчиты - ваются по выражениям : ● S11=b1/a1, при a2=0 (1) ● S21=b2/a1, при a2=0 (2) где а 1 – напряжение падающей вол - ны , b1 – напряжение отражённой вол - ны , b2 – напряжение волны , вышед - шей из Port 2. Пусть длина линии составляет 40 мм , а импеданс 50 Ом . Структура печатной платы , для которой выполняется рас - чёт , показана на рис . 3. Конструкция состоит из трёх слоёв . Сделано это специально для того , что - бы обеспечить один возвратный слой как для стороны Top, так и для сторо - ны Bottom. Рассмотрим случай , когда проводник располагается только на одной стороне печатной платы . Его ширина для соот - ветствия импедансу в 50 Ом при ди - электрической проницаемости материа - ла , равной 4, составляет 0,88 мм . Модель для расчёта представлена на рис . 4. На рис . 5 показан результат расчёта . Коэффициент S11 у трассы на всём частотном диапазоне не превышает – 25 дБ , а S21 – 2 дБ на частоте 10 ГГц . Проведём подобный расчёт для про - водника с отверстием . Пусть 20 мм линии с волновым сопротивлением 50 Ом располагаются на первом слое , а оставшиеся 20 мм – на третьем . Модель представлена на рис . 6. Коэффициенты S11 и S21 для линии передачи с межслойным переходом будут сопоставимы для линии без отверстия только в том случае , если импеданс перехода примет значение 50 Ом . Отверстие , как неоднородность , можно представить в двух вариантах . Первый – единое целое , состоящее из отверстия и двух частей проводни - ка без опорного слоя или с опорным ( зависит от размера антипада ) ( рис . 7). Второй – сумма неоднородностей , образованных непосредственно пере - ходным отверстием и двумя частя - ми проводника . При этом , если под частями трассы отсутствует опорный слой , то её импеданс в этом месте будет выше 50 Ом . Соответственно , для согласования всей неоднородно - сти волновое сопротивление самого Рис . 2. Двухпортовая система Рис . 1. Некоторые виды линий передач