Отверстия, моделирование и целостность сигнала. Часть 2.

автор Мартин Годион (Martyn Gaudion) POLAR INSTRUMENTS |

Пока сигнал распространяется вдоль дорожки, все нормально – равный и противоположный ток возвращается к источнику в панели заземления сразу под исходящим сигналом. Перед сигналом линия спокойна. Ничто не исходит (он сюда еще не дошел) и не возвращается; нечему возвращаться. Когда сигнал пересекает прорезь, начинается полная неразбериха, так как нет мгновенного возвратного пути. Вы просто создали этой прорезью антенну, и ток пытается найти путь обратно к источнику с наименьшим сопротивлением (который может быть в воздухе). Это плохая разработка, но я все еще время от времени встречаю подобные. Чтобы представить, как это смешно, давайте изменим сценарий, делая землю непрерывной, но на полпути по поверхностной дорожке у нас будет разомкнутая цепь на полдюйма. «Это никогда не сработает» - скажете вы. «Это разомкнутая цепь!». Но при таком сценарии некоторые менее опытные разработчики радостно создают возврат для открытой RF цепи путем обрезания апертуры ниже исходящей дорожки.

Рис. 5: Без возвратного пути возвратный ток будет излучаться между панелями.

Вот моя визуализация линии передачи вид сбоку. С избытком интерпретаций я представил, что энергия сигнала сохраняется в субстрате за счет растягивания его как кусок резины. Сигнал распространяется вдоль меди, сохраняя энергию в этой воображаемой среде растягивая молекулы так, что она расширяется…. конечно, тут я немного фантазирую, но это должно помочь вам визуализировать волновой фронт сигнала, идущий через линию передачи, и что происходит, когда возвратный путь прерывается.

 

Теперь вернемся к отверстиям. Мне всегда нравится смотреть на предметы с нестандартной точки зрения, так как информация, полученная не типичным методом, заставляет вас думать немного иначе. В данном случае, мысли должны стать проще. Для начала представьте, что толщина платы не 63 мил, а 6 дюймов. Затем мысленно поверните плату вертикально, так чтобы вы посылали сигнал «вдоль» вашего воображаемого отверстия. Что он испытывает?

 

Итак, если путь сигнала может быть цилиндрическим (или может быть цилиндрическим с ребрами, если вы оставили не функциональные площадки отверстия) и может быть разумным обратным путем, возвратный путь для одновыводного отверстия совсем не так однозначен. Теперь горизонтальное (в вашей голове) отверстие будет проходить через ряд краев панелей питания и заземления, чередующихся с изоляторами. Что же теперь может сделать возвратный ток?

Вспомните пример с простой микрополосковой линией, где я задал вопрос о слоте на панели: он создает щелевую антенну. То же верно и для данной ситуации и теперь есть столько щелевых антенн, сколько есть пар сигнал/панель заземления; в результате возвратный ток в плохо спроектированном одновыводном отверстии пытается излучаться через каждую пару панелей и продолжает излучаться до тех пор, пока не встретит преграду; зачастую это открытая цепь на краю платы. Разумеется, это очень сложный 3Д сценарий для модели. Однако, не все потеряно.  Вспомните мое замечание в начале, что модель не может исправить плохой дизайн. Итак, как вы смягчаете эффекты от отверстий? Есть несколько способов, зависящих от требований, предъявляемых устройству, и только после того, как вы подумали о соответствующем подходе, имеет смысл начать моделирование, чтобы подтвердить вашу разработку.

Первым шагом будет сохранение минимально короткого размера отверстия за счет использования микроотверстий или слепых или заглубленных отверстий. Во-вторых, вам стоит рассмотреть решение проблемы с помощью тупиковых заглушек отверстий: если дорожка идет от L1 к L3, но оставляет заглушку до L16, сигнал пройдет через все слои до L16 перед отражением на L3, обеспечивая эффективную длину электрической заглушки, почти вдвое превышающую механическую. В случае с очень толстой платой со сквозными отверстиями решением может быть сверление с обратной стороны для удаления ненужной части столбика отверстия. Однако, другой подход может быть и немного противоречащий здравому смыслу: может быть лучше отправить сигнал вниз на всю глубину отверстия и вернуть его через соседнее отверстие до достижения нужного слоя, так как это может дать более короткую заглушку, чем простое прохождение на один слой и делая длинную заглушку.

Возвратившись к моему объяснению проблемы с возвратным путем, который видит обратный ток из единственного отверстия, вы можете упростить жизнь обратного тока, если вы спроектируете возвратную дорожку, а не оставите ее на волю случая. То есть добавляя возвратное отверстие по соседству с сигнальным отверстием, вы даете обратному току благоприятный путь обратно к источнику, а не позволяете высокой частоте болтаться в полости между панелями.

Это также приводит к одной из причин, почему дифференциальная трансмиссия так популярна для высокоскоростных сигналов: Помимо присущей им помехоустойчивости, сбалансированная дифференциальная пара означает, что вы предоставляете исходящий и обратный путь в сигнальном отверстии пары, не задумываясь об этом. Другими словами, целостность сигнала дифференциальной пары по своей природе менее подвержена влиянию перехода через сквозные отверстия, чем для случая с одновыводным отверстием.

Как обычно в своих статьях я стараюсь избегать слишком глубокого анализа. Я скорее стараюсь дать некоторые рекомендации, чтобы помочь вам лучше понять поведение отверстий. Я надеюсь, что вы учтете эти моменты, и когда вы столкнетесь с проектированием высокоскоростных отверстий, у вас будет определенная фора. Если вам потребуется модель, теперь вы будете понимать, что не стоит ожидать от хорошей модели исправления плохой разработки.

Вместо этого, вы можете использовать моделирование, чтобы подтвердить свою разработку, которая изначально стартовала с хорошими перспективами. Во многих случаях мы можете попытаться сохранить достаточно малые геометрии, чтобы отверстие было невидимым (Бесстыдная реклама: может помочь Указатель длины заглушки отверстий в анализаторе полей линий трансмиссии ПП Polar Si9000e).

Одна заключительная мысль. Было бы здорово, если мастер HDI мог бы создать коаксиальное отверстие, чтобы высокоскоростной сигнал не видел все эти противные слоты между панелями, когда он пересекает плату?  И это было сделано и запатентовано: онлайн поиск покажет вам некоторые из идей. Я думаю, это не так просто, как кажется, иначе это было бы в настоящее время основным способом. С удовольствием буду ждать откликов от производителей по этой теме.

Мартин Годион (Martyn Gaudion) – генеральный директор Polar Instruments. Чтобы связаться с ним или познакомиться с его предыдущими статьями: design.iconnect007.com/index.php/column/87999/the-pulse/88002

 

Источник: Журнал The PCB Design Magazine, Ноябрь 2016

 

Назад