//
//При работе с СВЧ сигналами и трассировкой СВЧ п/п необходимо учитывать:
//
Спектр сигнала и влияние его гармоник на сам сигнал, например для последовательности прямоугольных импульсов частотой 100МГц (длительность 5нси период 10нс) амплитудой 1В
Наглядно видно, что спектр не ограничен полосой в 100МГц и даже ширина спектра, рассчитанная программой (до первого лепестка) не совсем точна, да, основная энергия содержится в главном лепестке, и для обозначения НАЛИЧИЯ импульса этого хватит, но при ограничении верхних частот произойдет искажение сигнала и прямоугольный импульс превратится в косинусоидальный импульс (скорее даже в sinc функцию).
При работе с СВЧ сигналами часто требуется сохранить форму импульса, а значит необходимо учитывать максимальные частоты (обычно берется 3-5 «лепестков», а начала «лепестков» определяется как f=n/tи, где n=1,2,3… — номер нуля.
например: найдем первый ноль для импульса длительностью 5нс
1/[ 5*10^(-9) ]=10^9/5=(1000/5)*10^6=200МГц (обычно называется f0)
третий ноль будет соответственно равен 600МГц, в этой полосе содержится порядка 90% (уточнить) энергии сигнала.
Спектр прямоугольного импульса бесконечен, но для работы достаточно 90-97%(уточнить) энергии, что примерно соответствует (3-5)f0.
//
//Чтоже будет влиять на спектр сигнала и ограничивать его?
//
Любой проводник в т.ч. проводник печатной платы имеет индуктивность (обычно она малая порядка пико Генри) но вспоминая формулу реактивного сопротивления:
Xl=j*w*L, где j-мнимая единица (можно не учитывать в «обывательских» расчетах), w0=2*pi*f — циклическая/круговая частота, L — индуктивность в Генри
Как видно из формулы с ростом частоты сопротивление индуктивности по переменному току возрастает!
Вспоминаем, что любой проводник представляет собой индуктивность, и на суб-гигагерцовых частотах и тем более выше проводник стоит рассматривать как сопротивление, притом зависящее от частоты.
Т.Е. АЧХ самого проводника будет вносить ослабления в ВЧ части сигнала.
//———————————————-
Сам со себе проводник на п/п не может передавать сигнал — требуется пара проводников (сигнал и ноль (его часто называют GND)).
При этом материал диэлектрика, совместно с конечной шириной дорожек печатной платы создают плоский конденсатор на п/п
(обкладками являются дорожки п/п и диэлектрик — тестолит/полимер/керамика п/п)
Емкость этого конденсатора можно определить по формуле:
С=(ε*ε0*S)/d, где ε0 ≈ 8,85418781762039 · 10−12 Ф·м−1 — электрическая постоянная (в 2018/2019 году уточнена CODATA 8,8541878128(13) · 10−12 Ф·м−1)
ε-диэлектрическая проницаемость диэлектрика (текстолита) зависящая от частоты, S- площадь обкладок (ширина дорожек п/п), d- расстояние между обкладками.
Наиболее интересным параметром является диэлектрическая проницаемость-величина, показывающая, во сколько раз сила взаимодействия двух электрических зарядов в среде меньше, чем в вакууме. Она зависит от частоты, и для ряда материалов еще и от времени.
Физически диэлектрическая проницаемость «образуется» за счет поляризации электрических диполей внутри диэлектрика, т.е. при приложении внешнего заряда диполи «поворачиваются» и ослабляют силу взаимодействия 2-х зарядов.
В качестве диполей может выступать любое вещество внутри диэлектрика в т.ч. пары воды, поэтому многие диэлектрики (например FR1) непригодны для создания СВЧ устройтв, т.к. через 5-10 лет их характеристики на частоте в 1ГГц будут сильно ухудшены (вода как в микроволновой печи будет забирать энергию на свою поляризацию)
Т.е. в плане плоского конденсатора для СВЧ техники необходимы:
- Малая диэлектрическая проницаемость текстолита
- Стабильность диэлектрической проницаемости во всем диапазоне частот
- Стабильность параметров «текстолита» от времени
Наглядно видно, что будут существовать потери в материале диэлектрика, они определяются через тангенс угла диэлектрических потерь.
//
//Немного обобщенного
//
Тангенс угла диэлектрических потерь (δ) характеризует потери энергии электрического поля рассеиваемой в электроизоляционном материале. Он определяется отношением активной мощности к реактивной при синусоидальном напряжении определенной частоты. (это табличная величина для каждого диэлектрика)
Мощность потерь сигнала в диэлектрике линии можно оценить как:
P=U2*w*C*tgδ, где U-напряжение на линии, C-емкость линии, tgδ -тангенс угла диэлектрических потерь
Скорость распространения сигнала в диэлектрике тоже упадет по сравнению с вакуумом в sqrt(ε), что порождает проблемы на частотах более 10ГГц (сигнал в проводнике и диэлектрике могут идти с запаздыванием).
//
//Волновое сопротивление
//
В проводнике существуют падающая и отраженная волна, появляющиеся из-за разных характеристик среды распространения (разные материалы или разное сопротивление)
Для работы электроники как правило полезна лишь падающая волна (изменяющаяся со временем картина колебаний), отраженная волна ослабляет полезный сигнал, а при наложении фаз может образовывать и стоячую волну (картинка минимумов и максимумов, при которой энергия от источника не проходит)
Пример стоячей волны (чёрная линия), возникшей в результате интерференции двух гармонических волн (красная и синяя линии) одинаковой частоты и амплитуды, распространяющихся во встречных направлениях. Красные точки обозначают узлы — точки или области в пространстве, в которых амплитуда колебательного процесса минимальна и равна разности амплитуд интерферирующих волн (амплитуда стоячей волны в узлах равна нулю). Посередине между каждой парой соседних узлов располагается пучность — точка или область в пространстве, в которой амплитуда максимальна и равна сумме амплитуд интерферирующих волн (амплитуда стоячей волны в пучностях вдвое больше амплитуды каждой из интерферирующих волн). Фаза колебательного процесса стоячей волны при переходе через узел меняется на 180° (говорят, что колебания синфазны в пространстве с точностью до 180°). В данном примере расстояние между соседними узлами составляет половину длины волны интерферирующих волн, значение коэффициента стоячей волны (отношение амплитуд колебаний в пучности и узле) стремится к бесконечности.
Исходя из вышеописанного одним из наиболее важным параметром СВЧ проводника является волновое сопротивление линии передачи (коротко — волновое сопротивление) — величина, определяемая отношением напряжения падающей волны к току этой волны в линии передачи (по закону Ома). При определении волнового сопротивления может использоваться также напряжение и ток отражённой или бегущей волн.
Волновое сопротивление можно оценить через погонные индуктивность и емкость, или через амплитуды напряжения и тока в цепи
ВАЖНО УЧЕСТЬ — ВОЛНОВОЕ СОПРОТИВЛЕНИЕ НЕ ЗАВИСИТ ОТ ДЛИННЫ ПРОВОДНИКА.
А от согласованности линий передачи будет зависеть КСВ, КБВ (коэффициенты стоячей и бегущей волн) и как следствие потери и ослабление сигнала.
//
//Разность фаз
//
Чтобы информационные СВЧ сигналы хорошо передавались и воспринимались устройством необходимо обеспечить одинаковую задержку распространения сигнала и одинаковые параметры среды.
Т.к. сигналы высокочастотные, то их длительность мала, а значит если сделать линии разной длинны или с разными параметрами (разные волновые сопротивления и как следствие фронты и ослабление), то сигналы могут приходить не синфазно:
пример: сигналы CLK и DATA_1 вышли с микросхемы в следующем порядке:
DATA_1 ___задержка 1нс___CLK
но пошли разными путями в результате на приемник пришли например одновременно
или пришли в разное время (с задержкой в 1нс), но из-за искажения нарастание сигнала CLK заняло большое время до срабатывания триггера/компаратора приемника.
//
//Прохождение СВЧ сигнала
//
В низкочастотной технике ток проходит по пути наименьшего сопротивления, не учитывая взаимное расположение сигнального и нулевого проводников.
В СВЧ технике учитывается волновое сопротивление, которое минимально на кратчайшем пути между сигнальным и нулевым проводниками!!!
Т.е. если говорить утрированно — это волновое сопротивление через диэлектрик.
Следовательно для правильного прохождения сигнала с одинаковым волновым сопротивлением — необходимо вести сигналы один над другим. (часто нулевой проводник делают полигоном).
Здесь важно обратить внимание:
В полигоне м.б. вырезы и тд. из-за чего ток будет огибать эти вырезы и в этом месте будет резкое увеличение волнового сопротивления!!!
//
//Проводники как антенны
//
С ростом частоты уменьшается длинна волны (λ=c/f), а от длинны волны зависят размеры излучателя (антенны)
Например для частоты 1ГГц λ=c/f=3*10^8/1*10^9=3/10=0.3м
Самой простой и «маленькой» антенной является четвертьволновый вибратор — проводник длинной l=λ/4
Т.е. для частоты 1ГГц l=0.3/4=0.075м (7.5см) — число довольно большое, но это для частоты в 1 ГГц (синусоидальный сигнал)
Для последовательности импульсов частотой 1ГГц (tи=0,5нс T=1нс) спектр займет полосу до 5(6)ГГц
В этом случае λ=c/f=3*10^8/5*10^9=3/50=0.06м
l=0.06/4=0.015м (1.5см)
ВАЖНО ОТМЕТИТЬ что наилучшее излучение происходит при длинах излучателей кратных λ/4 (λ/2….λ)
Исходя из вышеописанного — в идеале нельзя допускать длин проводников, больше и тем более кратных четверти длинны волны, в идеале ориентироваться на интересующую часть спектра (а не только на основную частоту сигнала), и делать зазор между СВЧ проводниками.
В чем минус работы проводника как антенны — потери энергии на излучение, плохая электромагнитная совместимость и сильная зашумленность линий питания (как следствие), наводки и взаимное наложение сигналов в параллельных проводниках.
Резюмируя сказанное -при создании п/п необходимо обеспечить:
- Малую диэлектрическая проницаемость текстолита
- Стабильность диэлектрической проницаемости во всем диапазоне частот
- Стабильность параметров «текстолита» от времени
- Узкие дорожки для минимизации емкости
- Делать как можно более короткие дорожки для минимизации индуктивности и эффекта антенны
- Удалять друг от друга СВЧ проводники
- Вести сигнальный и нулевой проводники один над другим синфазно огибая препятствия
- Ставить блокировочные емкости по питанию микросхем