Cosa c'è di sbagliato nella mia guida d'onda complanare con messa a terra da 50 Ω?

Ho lavorato su un design a 4 strati costruito attorno al SoC Bluetooth a bassa energia EFR32BG13. Mentre cercavo di misurare l'impedenza dell'antenna per costruire un circuito di corrispondenza, ho scoperto che la mia linea di trasmissione a guida d'onda complanare (GCPW) a terra corta si comportava più come un'antenna che come una linea di trasmissione.

Per restringere la causa del problema, ho creato una semplice scheda di test della linea di trasmissione a 4 strati, che è raffigurata qui:

La tavola è quadrata di 100 mm. Ho fatto fabbricare queste schede da ALLPCB, che specifica 35 μm di rame su tutti gli strati e 0,175 mm dielettrico (costante dielettrica 4,29) tra i primi due strati. Usando AppCAD, ho scoperto che un design con una larghezza della traccia di 0,35 mm e uno spazio di 0,25 mm produce un'impedenza di 48,5 Ω. Lo strato superiore per la scheda è mostrato in rosso sopra. Gli altri tre strati sono piani di massa che assomigliano a questo:

Ho ricevuto le schede oggi e ho iniziato testando S21 per la seconda sezione dal basso - un pezzo dritto di GCPW con connettori SMA su entrambe le estremità. Ho usato un HP 8753C / HP 85047A con una breve lunghezza di coassiale collegata alle porte 1 e 2 e la scheda di test collegata tra quelle lunghezze di coassiale. Con mia grande sorpresa, questo è quello che ho visto:

A 2,45 GHz, la mia linea di trasmissione ha una risposta di -10 dB. Se sostituisco la scheda con un connettore "thru", vedo esattamente cosa mi aspetto:

Sono un po 'perplesso, poiché pensavo che il primo test sarebbe stato uno schiacciamento e avrei iniziato a trovare problemi con i test più complessi sopra di esso. Ho un VNA e un forte desiderio di imparare cosa sto facendo di sbagliato qui. Riesci a vedere problemi con il mio metodo di test o con il design GCPW stesso? Qualsiasi aiuto sarebbe molto apprezzato!

Modifica: come suggerito da Neil_UK, ho rimosso le termiche su una scheda raschiando via la maschera di saldatura e quindi colmando il divario con la saldatura. Misurare S11 e S21 con questa configurazione dà il seguente risultato:

Confrontando la trama S21 con il risultato precedente, non sembra esserci alcuna differenza percettibile.

Modifica 2: Come suggerito da Mkeith, ho diviso una delle "strisce" della mia scheda di test a parte le altre usando il vecchio metodo "score and break". La scheda che ho scelto di staccare è la stessa scheda su cui ho rimosso le termiche, quindi questo risultato è un'ulteriore modifica sulla trama precedente. Ecco qui:

C'è un approfondimento delle depressioni nel diagramma S11, ma nessun miglioramento significativo nella funzionalità della scheda come linea di trasmissione.

Modifica 3: Ecco una foto della scheda nella sua forma di realizzazione più recente:

Modifica 4: scatti ravvicinati di entrambi i lati di un connettore SMA:

Il connettore SMA è Molex 0732511150. La terra del PCB segue le raccomandazioni nel foglio dati qui:

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

Modifica 5: Ecco una sezione trasversale della tavola vicino a un bordo:

Le linee verdi sono ridimensionate dalle specifiche del produttore, che vengono copiate qui:

Modifica 6: Ecco una foto dall'alto verso il basso della scheda con linee di scala rosse che mostrano le dimensioni previste:

Modifica 7: Per verificare l'effetto della grande terra centrale SMA, ho scolpito il pad centrale su una tavola in modo che avesse la stessa larghezza del resto della traccia. Quindi ho usato il nastro di rame per estendere il terreno su entrambi i lati:

Quindi ho testato nuovamente S11 e S21:

Questo sembra aver migliorato significativamente l'S11, il che mi porta a credere che l'ampio terreno centrale stia effettivamente creando una capacità ai due estremi della linea risultante in risonanza.

Modifica 8: Alla ricerca di alcune indicazioni su come gestire la transizione da SMA a GCPW, ho trovato questo white paper:

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

Mentre il documento si riferisce specificamente all'uso di un substrato ad alta frequenza, penso che gran parte di esso sia ancora applicabile qui. Due punti principali si distinguono per me:

1. Il GCPW dovrebbe continuare fino al bordo del tabellone.
2. I connettori SMA di lancio ad alta frequenza utilizzano un pin centrale più corto e più stretto per minimizzare il suo effetto sul GCPW. Questi possono essere più appropriati per un'applicazione come questa con un sottile conduttore centrale sulla linea di trasmissione.

Non utilizzare "termiche" durante la messa a terra degli SMA. Quelle linguette di terra dovrebbero andare dritte sul grande piano di terra ininterrotto. Non sarà nemmeno più difficile da saldare, la maggior parte della SMA deve essere comunque riscaldata, quindi non è necessario per quei tre induttori stampati nel terreno di ogni SMA.

Se osservi l'ondulazione sul tuo diagramma S21, l'ondulazione ripetuta è coerente con punti di corrispondenza scarsi distanziati dalla larghezza della tavola. Potrebbe non essere l'intera storia, ma risolvere questo ovvio problema prima di cercare dettagli più sottili.

Non è necessario rimodellare le schede, è possibile raschiare qualsiasi resistenza e colmare i tagli con la saldatura come soluzione rapida. Modifica il tuo post e aggiungi le nuove misure dopo averlo fatto. A proposito, S11 è di solito una misura più sensibile da effettuare su linee "attese buone" rispetto a S21, anche se sono d'accordo, questo S21 è piuttosto male.

Qual è il materiale della scheda (non un dettaglio non importante)?

(modificare)

Quindi non sono le termiche, supponiamo che siamo solo a 3GHz.

La linea è calcolata correttamente? Con queste dimensioni, questo calcolatore dà 48,93, ma ovviamente utilizza rame a spessore zero. Questo dà 47.42 con 35um di rame e concorda con l'altro per zero spessore, quindi il design sembra plausibile. Queste differenze rispetto a quanto assunto non sono sufficienti per spiegare le misurazioni.

La scheda è prodotta correttamente?

$\varepsilon_r$

Una misurazione della capacità su un pezzo di tavola tagliato dalla scheda di test lontano da vie di cucitura a terra ti darà uno spessore combinato e una costante dielettrica. Una misurazione della lunghezza elettrica sui provini ti fornirà una costante essenzialmente dielettrica, con un piccolo contributo dalla geometria.

Sarà banale per te modellare una lunghezza della linea di trasmissione e regolare lunghezza, impedenza e perdita, finché S11 e S21 simulati non corrispondono alle tue misurazioni, potresti persino chiedere all'ottimizzatore di farlo automaticamente per te. È un modello plausibile per i tuoi risultati?

Ho notato improvvisamente che le tue schede dei segnali sui connettori sono molto larghe, il che creerà una breve lunghezza di linea di impedenza molto bassa su ciascun connettore, anche se a questa lunghezza, la modellazione come C aggregata sarebbe probabilmente adeguata a 3GHz. Aggiungi due C in serie al tuo modello e prova ad adattare quelle simulazioni ai tuoi risultati. Pubblica un ingrandimento dell'area dell'interfaccia del connettore in modo che possiamo vedere cosa sta succedendo lì correttamente.

(/modificare)

Penso che tu abbia interpretato il foglio dati in modo errato, o piuttosto non hai tenuto conto del fatto che hai 4 livelli e terra anche sul livello superiore, i consigli di progettazione non lo richiedono con questo layout.

Dice "rame sul lato inferiore (terra)"

Ecco come interpreto la scheda tecnica;

La larghezza del pad centrale è progettata per adattarsi bene / avere un'impedenza vicina a 50ohm quando si dispone di una scheda DOUBLE LAYER (non a 4 strati) da 1,57 mm di spessore con piano di massa SOLO sul fondo (~ 1,6 mm sotto la pista) che è perché anche se guardi la pista che si allontana dal terminale è ancora più ampia, perché con una scheda da 1,6 mm con terra sul fondo solo hai bisogno di una pista molto ampia per ottenere un'impedenza di 50 ohm.

Se non hai rimosso il rame sui due strati centrali di rame sotto il cuscinetto centrale, hai spostato il piano di massa molto più vicino di quanto si supponga sia dalle specifiche di progettazione. e anche perché hai terreno sul piano superiore, hai cambiato anche l'impedenza da quello. la distanza tra il centro e le pastiglie specificate nel foglio dati non deve essere riempita con il piano di massa.