50Ω接地コプレーナ導波路の何が問題になっていますか？

EFR32BG13 Bluetooth Low Energy SoCを中心に構築された4層設計に取り組んできました。アンテナのインピーダンスを測定して整合回路を構築しようとしたときに、接地された短いコプレーナ導波路（GCPW）伝送ラインが伝送ラインよりもアンテナのように機能していることを発見しました。

問題の原因を絞り込むために、単純な4層の伝送ラインテストボードを作成しました。

ボードは100 mm角です。ALLPCBでこれらのボードを製造しました。ALLPCBは、すべての層に35μmの銅を指定し、最初の2つの層の間に0.175 mmの誘電体（誘電率4.29）を指定しました。AppCADを使用して、0.35 mmのトレース幅と0.25 mmのギャップを持つ設計では、48.5Ωのインピーダンスが得られることがわかりました。ボードの最上層は上の赤色で示されています。他の3つの層は、次のようなグラウンドプレーンです。

本日、ボードを受け取り、下から2番目のセクション（両端にSMAコネクタがあるGCPWの直線部分）のS21をテストすることから始めました。ポート1と2に短い同軸ケーブルを接続したHP 8753C / HP 85047Aと、それらの同軸ケーブルの間に接続されたテストボードを使用しました。驚いたことに、これは私が見たものです：

2.45 GHzでは、伝送ラインの応答は-10 dBです。ボードを「スルー」コネクタに交換すると、期待どおりの結果が得られます。

最初のテストはスラムダンクだと思い、その上でより複雑なテストで問題を見つけ始めたので、私は少し困っています。私はVNAを持ち、ここで間違っていることを知りたいと強く望んでいます。私のテスト方法またはGCPW設計自体に問題がありますか？どんな助けでも大歓迎です！

編集： Neil_UKが示唆したように、はんだマスクを削り取り、ギャップをはんだで埋めることにより、1つのボードのサーマルを除去しました。この構成でS11とS21を測定すると、次の結果が得られます。

S21プロットを前の結果と比較すると、知覚可能な違いはないようです。

編集2： mkeithが示唆するように、古い「スコアとブレーク」メソッドを使用して、テストボードの「ストリップ」の1つを残りから分割しました。ブレークオフすることを選択したボードは、サーマルを削除したボードと同じであるため、この結果は前のプロットをさらに修正したものです。ここにあります：

S11プロットでは谷が深くなっていますが、伝送ラインとしてのボードの機能に大きな改善はありません。

編集3：これは、最新の実施形態のボードの写真です。

編集4： 1つのSMAコネクタの両側のクローズアップショット：

SMAコネクタはMolex 0732511150です。PCBランドは、データシートの推奨事項に従います。

http://www.molex.com/pdm_docs/sd/732511150_sd.pdf

編集5：これは、1つのエッジの近くのボードの断面です。

緑色の線は、製造元の仕様に合わせて拡大縮小されており、ここにコピーされています。

編集6：これは、ボードのトップダウン写真で、予想される寸法を示す赤いスケール線があります。

編集7：中央の大きなSMAランドの効果を確認するために、一方のボードの中央パッドを削り、残りのトレースと同じ幅にしました。次に、銅テープを使用して両側のグラウンドを拡張しました。

その後、S11とS21を再テストしました。

これにより、S11が大幅に改善されたように思われます。これは、実際には、大きなセンターランドがラインの両端に静電容量を生成し、共振を引き起こしたと信じさせてくれます。

編集8： SMAからGCPWへの移行を処理する方法に関するガイダンスを探して、このホワイトペーパーに出会いました。

http://www.mouser.com/pdfdocs/Emerson_WhitePaperHiFreqSMAEndLaunch.pdf

この論文では特に高周波基板の使用について言及していますが、その多くはここでもまだ適用できると思います。2つの主な点が際立っています。

1. GCPWはボードの端までずっと続きます。
2. 高周波エンドランチSMAコネクタは、GCPWへの影響を最小限に抑えるために、より短く狭いピンを使用します。これらは、伝送ラインに細い中心導体があるこのようなアプリケーションにより適しています。

SMAを接地するときに「サーマル」を使用しないでください。これらの接地タブは、大きな切れ目のない接地面にまっすぐに行く必要があります。はんだ付けすることさえ難しくなく、SMAの大部分はとにかく加熱する必要があるため、各SMAのグランドにあるこれら3つのプリントインダクタは不要です。

S21プロットのリップルを見ると、繰り返しのリップルは、ボード幅によって間隔が空いている貧弱なマッチポイントを持つことと一致しています。それがすべてではないかもしれませんが、より微妙な詳細を探す前にこの明白な問題を整理してください。

ボードを作り直す必要はありません。レジストを削り取って、簡単な修正としてはんだでカットを埋めることができます。投稿を編集し、完了したら新しい測定値を追加します。ところで、S11は通常、S21よりも「期待通りの良い」ラインで行うより感度の高い測定ですが、このS21はかなり悪いです。

ボードの材料は何ですか（重要ではありません）。

（編集）

だから、サーマルではなく、3GHzだけだと思います。

線は正しく計算されていますか？これらの寸法では、この計算機は48.93を提供しますが、明らかに厚さゼロの銅を使用しています。これは、35umの銅で47.42を与え、厚さが0であることに同意します。そのため、設計は妥当なように見えます。想定していたものとの違いは、測定値を説明するのに十分ではありません。

ボードは正しく製造されていますか？

幅とギャップの寸法は、顕微鏡で簡単に測定できます。基板の厚さはさらに難しくなります。基板の誘電率はさらに困難です。FR4は、厚さとガラス/樹脂の比率によって異なります。0.175mm層コア、またはプリプレグですか？組み立て条件はコアの製造ほど適切に制御されていないため、プリプレグは組み立てたときにコアよりもはるかに異なる可能性があることに注意してください。$\varepsilon_r$

グランドステッチングビアから離れたテストボードから切り取られたボードの静電容量を測定すると、厚さと誘電率の合計が得られます。試験片の電気的長さを測定すると、基本的に誘電率が得られますが、ジオメトリからわずかに寄与します。

伝送ラインの長さをモデル化し、長さ、インピーダンス、損失を調整するのは簡単です。シミュレートされたS11とS21が測定値に一致するまで、オプティマイザーに自動的にそれを行うよう依頼することもできます。それはあなたの結果のもっともらしいモデルですか？

コネクタの信号タブが非常に広いことに突然気付きました。これにより、各コネクタで短いインピーダンスの非常に短いラインが作成されますが、この長さでは、集中Cとしてのモデリングはおそらく3GHzに適しています。2つの集中Cをモデルに追加し、それらのシミュレーションを結果に合わせてみてください。コネクタインターフェイス領域の拡大を投稿して、そこで何が起こっているかを適切に確認できるようにします。

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データシートを間違って解釈したか、最上層にも4つのレイヤーがあり、グランドになっているという事実を考慮していなかったと思いますが、このレイアウトでは設計上の推奨事項ではありません。

「底（地面）側の銅」と言う

これがデータシートの解釈方法です。

センターパッドの幅は、1.57mm厚のDOUBLE LAYER（4層ではない）ボードを底部にのみ（トラックから約1.6mm下に）配置した場合、インピーダンスが50Ωに近くなるように設計されています。なぜターミナルから離れて行くトラックを見ると、さらに広いのですか？それは、底部にグランドがある1.6mmのボードでは50Ωのインピーダンスを得るために非常に広いトラックが必要だからです。

中央のパッドの下にある真ん中の2つの銅層の銅を取り除いていない場合、グランドプレーンを設計仕様から推測されるよりもはるかに近づけています。また、上部プレーンにグランドがあるため、インピーダンスも変更されています。データシートで指定されたセンターパッドとグランドパッドの間の距離は、グランドプレーンで埋められることは想定されていません。