50Ω Impedanzanpassung mit Signalen durch Durchkontaktierungen

Ich arbeite an einem IoT-Board und es ist alles ausgelegt (LTE, GPS, BLE, WIFI - 30 mm x 30 mm - SEHR FEST).

Als Designkonzession muss ich Durchkontaktierungen verwenden, um einige der HF-Signale zu leiten. Es gibt keine andere Möglichkeit, das Board so klein zu halten.

Ich habe mehrere HF-Boards impedanzangepasst und abgestimmt. Ich verwende das gleiche PCB-Material, daher bin ich zuversichtlich, dass die 50-Ω-Leiterbahnen korrekt sind. Und ich habe einen VNA, um das passende Netzwerk auf die Antenne abzustimmen.

Was passiert jedoch, wenn die 50-Ω-Leiterbahnen auf ein Via treffen?

Gibt es eine bekannte Gleichung für die Impedanzanpassung durch Vias?

Sollte ich mir überhaupt Sorgen machen, wenn die Spuren 50 Ω sind?

Ich habe ein passendes Netzwerk vom Signalausgang auf dem IC zur Antenne, also ist es ein strittiger Punkt? Verwenden Sie einfach, was Sie wollen, und korrigieren Sie die Impedanz am Anpassungsnetzwerk?

Es wird sicher widerspiegeln, ich habe das Gefühl, dass Sie die Impedanz mit Durchkontaktierungen nicht aufrechterhalten können. Einen Leistungsverlust müssen Sie in Kauf nehmen. Wie lang sind deine Spuren? Wenn es nur ein paar Millimeter/Zentimeter sind, könntest du damit durchkommen ... Bearbeiten Erwarte nicht, dass ich etwas über das Thema weiß :|
Die längste Spur beträgt etwa 15 mm.
Hmm ... bau es und schau, was passiert :) Versuche zumindest, die verschiedenen HF-Signale so weit wie möglich voneinander zu isolieren.
Ja, ich habe ein anderes Design gesehen, das ebenfalls Kompromisse eingeht und Vias verwendet. Ich bin mir nicht sicher, ob das fragliche LTE-Modul eine RSSI-Anzeige hat (wahrscheinlich, also könnte ich zumindest mit einer Musterplatine des Herstellers vergleichen). ABER – im Idealfall gibt es eine bekannte Antwort … irgendjemand?
Das Saturn PCB Toolkit hat eine Via-Impedanz-Registerkarte
Bitte sehen Sie sich diese verwandte Frage an. Eine der Antworten hat einen coolen Link zur Berechnung per Impedanz von Hand :)
Sie sagten "HF-Signale", aber nicht welches Frequenzband. Sie interessieren sich vielleicht nicht für Via-Effekte bei 100 kHz oder sogar 100 MHz, aber bei 10 GHz könnten Sie sich sehr darum kümmern.
@ThePhoton, Eigentlich hat er die Frequenzbänder angegeben: LTE, GPS, BLE und WiFi. Das sind 1,8 G, 1,2–1,5 G, 2,4 G und 2,4 G.
@ThePhoton - Ich weiß, das ist dein Steuerhaus. Ich denke, das am stärksten betroffene Band ist LTE mit drei Bändern von ~900 MHz/1700 MHz/2300 MHz (zitieren Sie mich nicht auf diesen Bändern, ich gehe von dem aus, was ich zu lesen glaubte). Noch schwerer zu sagen, oder? Ich vermute, das ideale Via ist frequenzabhängig. 10 mm mehr würden dieses Problem beseitigen.
@Matt Young - guter Anruf, ich werde das überprüfen. Ich habe das Gefühl, dass die Größe der Durchkontaktierung von der Frequenz abhängt, und LTE besteht aus mehreren Frequenzen.
@PkP, wenn er Ethernet-Standards nennen würde, würde ich die Frequenzen auf Anhieb kennen, aber diese Namen sind für mich nicht so nützlich wie nur 1,5 bis 2,5 GHz zu sagen.

Antworten (1)

Was passiert jedoch, wenn die 50-Ω-Leiterbahnen auf ein Via treffen?

Die Durchkontaktierung kann als kapazitive oder induktive Diskontinuität in der Übertragungsleitung wirken. Es wird zumindest eine kleine Reflexion machen.

Unterhalb von 1 GHz ist diese Diskontinuität normalerweise zu klein, um sich darüber Sorgen zu machen, es sei denn, Sie führen so etwas wie Präzisionsradararbeiten durch. Oberhalb von 5 GHz sollten Sie Ihre Durchkontaktierung im Allgemeinen sorgfältig entwerfen, um die Impedanzanpassung so gut wie möglich aufrechtzuerhalten. 1-2 GHz ist eine Art chaotischer Mittelweg, bei dem Sie möglicherweise mit einem unübertroffenen Via davonkommen und möglicherweise nicht. Sie sollten sich also wahrscheinlich zumindest anstrengen, um ein passendes Via zu entwerfen.

Zunächst möchten Sie alle Via-Stubs minimieren. Leiten Sie nach Möglichkeit von der obersten zur untersten Ebene, nicht beispielsweise von Ebene 1 zu Ebene 3. Wenn Sie dies nicht können, erwarten Sie eine kapazitive Diskontinuität von der Stichleitung. Es ist möglich, das Via "zurückzubohren", um den größten Teil des Stubs zu eliminieren, aber das ist bei 2,5 GHz wahrscheinlich nicht gerechtfertigt.

Zweitens, wenn Sie nicht zwischen Schichten routen, die eine Grundebene teilen (z. B. könnten Schicht 1 und Schicht 3 beide Schicht 2 als Grundebene verwenden, Schicht 1 und Schicht 8 jedoch nicht), stellen Sie sicher, dass eine vorhanden ist nahegelegener Pfad für Rückströme, um sich zwischen den Masseebenen der zwei Signalschichten zu bewegen. Eine nahegelegene Erddurchführung ist in Ordnung. Zwei oder drei sind noch besser. Wenn eine Ebene eine Stromversorgungsebene als Referenz verwendet, platzieren Sie einen Bypass-Kondensator für dieses Stromversorgungsnetz in der Nähe Ihrer Durchkontaktierung.

Drittens können Sie ein Tool wie das Saturn-PCB-Tool (google it) verwenden, um den Via-Durchmesser und den Antipad-Durchmesser um ihn herum zu entwerfen, während es durch die Strom- und Masseebenen geht, um dem Via eine charakteristische Impedanz zu geben, die zu Ihrer Leitung passt.

Gibt es eine bekannte Gleichung für die Impedanzanpassung durch Vias?

Es gibt zumindest heuristische Formeln. Tools wie Polar oder das Saturn PCB-Tool können verwendet werden, um den Wellenwiderstand des Vias zu ermitteln, der hauptsächlich vom Via-Durchmesser und vom Antipad-Durchmesser abhängt.

Sollte ich mir überhaupt Sorgen machen, wenn die Spuren 50 Ω sind?

Bei 15 mm Leiterbahnlänge und 2,5 GHz liegt die Leiterbahnlänge bei über 1/10 Wellenlänge. Es ist wahrscheinlich eine gute Idee, Spuren mit kontrollierter Impedanz zu erstellen, aber es wird wahrscheinlich nicht zu kritisch sein, alles genau richtig zu machen.

Danke Herr. Ich habe eigentlich nichts im 2,5 GHz Bereich gebaut. Ich lege dieses Board noch einmal neu an (was ein qualvoller 6-stündiger Prozess ist), ich verstehe, was Sie mit der Reihenfolge der Schichten und den Durchkontaktierungen sagen. Leider habe ich das Signal von unten nach oben. Saturn PCB Tool - Gott sei Dank, ich möchte das nicht von Hand berechnen, basierend auf einem Link, den ich zuvor gesehen habe.
Von oben nach unten ist gut, weil es keinen Stub auf der Durchkontaktierung gibt. Aber etwas schlecht, weil Sie auch Rückstrompfade benötigen (unter der Annahme von insgesamt mehr als 2 Schichten). Wenn Sie Masseebenen neben beiden Signalebenen haben, ist das wirklich keine große Sache.
Ja, es ist ein 4-Lagen-Board (im Moment!). Es gibt keine benachbarte GND-Ebene zur unteren Schicht. Für die erste Runde sollte ich es als 4-Schicht drehen und sehen. Ich vermute, dass dies einige Umdrehungen des Bretts erfordern wird, um die Dinge schön und glücklich zu machen.
Sparen Sie sich die Zeit und versuchen Sie nicht einmal, sich für eine 4-Lagen-Platine zu entscheiden, wenn die HF-Spur auf der Unterseite keine angrenzende Erdungsplatte darunter hat (oder darüber, je nachdem, wie Sie es betrachten). Vielleicht sollten Sie das Layout des RF hier zur Überprüfung zeigen.
@Mike - du hast das schon einmal mit einem 4-Lagen-Board versucht?
@Mike, wenn auf "Schicht 3" (der Schicht, die keine Signal- oder Masseebene ist) nicht viel Unordnung vorhanden ist, sollte es in Ordnung funktionieren. Obwohl die Leiterbahnbreite für 50 Ohm ziemlich groß sein könnte. Leroy, können Sie vermeiden, nahegelegene Leiterbahnen auf Schicht 3 zu haben, oder eine Bodenfüllung unter der Leiterbahn von Schicht 4 auf Schicht 3 anbringen?
Der Aufbau ist Schicht 1 obere Schicht, Schicht 2 GND, Schicht 3 Stromversorgung, Schicht 4 unten (Standard-4-Schicht-Stapelung). Die Leiterbahnbreite für die 50 Ohm auf dem 4-Lagen-Material beträgt 0,304 mm. Sowohl die GND- als auch die Power-Schicht haben keine Signale, nur Durchkontaktierungen, die sie durchschneiden. Warum sind die Spuren auf Schicht 3 ein Problem? Ich nehme an, ich könnte Schicht 3 mit einer Bodenfüllung versehen und die Stromversorgungsebene unter der fraglichen Spur zerschneiden.
Spuren auf Schicht 3 könnten, wenn sie parallel zur Signalspur auf Schicht 4 sind, ein Signal von der Signalspur gekoppelt bekommen. Senkrechte Spuren auf Schicht 3 verursachen wahrscheinlich kein Problem. Wenn Sie eine Stromversorgungsebene auf Schicht 3 haben, können Sie diese als Rückweg für Ihre HF-Spur verwenden, aber Sie müssen sorgfältig darüber nachdenken, wie der Rückweg mit der Quelle und der Last verbunden ist (und wie ich besprochen eine Umgehung in der Nähe Ihrer Durchkontaktierungen platzieren in meiner Antwort).
Ich mache das seit einer Stunde durch. Ich war mit dem Begriff Referenzebene nicht vertraut, also musste ich diese und aktuelle Rückpfade durchlaufen. Ich glaube, ich habe ein lockeres Verständnis. In Bezug auf die Leistungsebene als Referenzebene sagen Sie, dass Sie eine Entkopplungskappe platzieren sollen, die zu GND (über ein Via) und VCC (über ein Via) führt. Platzieren Sie das direkt neben dem Via. Diese Durchkontaktierungen, die die Entkopplungskappe verwendet, bieten einen schnellen Stromrückweg zu den oberen und unteren Schichten? Spielt es eine Rolle, ob sich diese Entkopplungskappe auf Schicht 1 oder Schicht 4 befindet? Ich denke nein, denn es sind wirklich die Vias, die Sie wollen?
Ich musste auch nach Backdrilling suchen - das ist für das Projekt nicht machbar. ;). Ich verstehe, was Sie mit den Via-Stubs und Reflexionen sagen.
50Ω Impedanzanpassung mit Signalen durch Durchkontaktierungen
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