Posizionamento di Vias per connettere i piani di massa

Mi sono chiesto molto sulle pratiche di messa a terra dei layout PCB. La mia prima domanda a riguardo riguarda i via. Ho notato che su un semplice PCB a 2 strati con piani di massa su entrambi i lati, in genere ci saranno alcune o più vie distanziate per collegarle con un'impedenza minima tra le due colate di rame.

Tuttavia, su una scheda RF il posizionamento via sembra molto più deliberato e mi chiedo quale sia la teoria alla base. I viali che collegano i piani di terra spesso delimitano la traccia RF. Vedi questo esempio di guida d'onda complanare differenziale:

Ho anche una seconda domanda sulla messa a terra dei PCB. Quando è appropriato "isolare" i piani di terra l'uno dall'altro? E in che modo avere i piani di terra su uno strato (diciamo in alto) isolati l'uno dall'altro aiuta quando entrambi i piani di terra sono collegati allo stesso piano di terra sul fondo attraverso vie. Quando disponiamo di questi piani di base isolati, il posizionamento intermedio differisce da uno dei casi precedenti?

Nota: sono a conoscenza del possibile duplicato qui, ma non sono soddisfatto delle risposte e penso che la mia domanda richieda maggiori dettagli.

Grazie per l'informazione.

Il layout che hai mostrato sembra quello che viene chiamato guida d'onda complanare sostenuta da rame (CBCPW). Ciò significa che il ritorno al suolo per la guida d'onda non è solo nei terreni complanari (il terreno si riempie sullo stesso strato delle tracce del segnale) ma anche nello strato piano immediatamente "sotto" lo strato del segnale. Questa struttura è abbastanza esoterica, nel senso che l'ho vista utilizzata solo nei sistemi digitali quando la velocità dei dati supera i 20 Gb / s.

Ho trovato quello che sembra una discussione ragionevole sulle differenze tra CBCPW e microstrip in un articolo del microonde Journal degli ingegneri di Rogers Corp.

Questo articolo mostra che il CBCPW ha una perdita inferiore rispetto alla microstriscia alle frequenze in cui la perdita di radiazioni diventa importante nella microstriscia, all'incirca da 25 GHz in poi, il che spiega perché il CBCPW non è ampiamente usato alle frequenze più basse.

Rispondendo alla tua domanda, l'articolo sottolinea alcuni requisiti speciali per la messa a terra dei viali nelle strutture CBCPW:

Per una corretta messa a terra, i circuiti CBCPW impiegano vie per collegare i piani di terra complanare dello strato superiore e il piano di terra dello strato inferiore. Il posizionamento di queste vie può essere fondamentale per ottenere le caratteristiche di impedenza e perdita desiderate, nonché per sopprimere le modalità dell'onda parassita.

Ciò significa sostanzialmente che senza frequenti passaggi di cucitura tra il terreno complanare e il terreno di supporto, la potenza potrebbe essere trasferita a modalità di propagazione indesiderate, che causerebbero una perdita di inserzione in eccesso o una forte dispersione nelle caratteristiche della linea di trasmissione.

Parte 1: una lunga fessura in un piano di terra sul lato superiore può fungere da antenna, sia in termini di radiazione che di captazione di correnti che stanno tentando di fluire perpendicolarmente alla fessura. Puoi pensare a uno slot come a un "filo negativo". Maggiori dettagli possono essere trovati qui .

Le correnti ad alta frequenza che stanno provando a spostarsi da un pezzo del piano di terra del lato superiore a un altro (che scorre perpendicolare alla traccia RF) sono costrette a fluire attorno ai bordi degli spazi tra i pezzi. Ora considera cosa succede se la lunghezza dello slot è uguale alla metà della lunghezza d'onda della corrente. La tensione attraverso lo slot è forzata a zero alle estremità dello slot (dove sono collegati i pezzi), ma ciò significa che la differenza di tensione attraverso lo slot sarà massima al centro dello slot. Allo stesso modo, la corrente (attraverso lo slot) è forzata a zero al centro dello slot, ma è massima alle estremità dello slot. Questo è il "doppio" elettrico di una normale antenna a filo a semionda, in cui la corrente è massima al centro e la tensione è massima alle estremità. La fessura e il filo sono ugualmente efficaci come le antenne,

Le vie multiple che collegano entrambi i lati dello slot al piano di massa solido sull'altro lato "cortocircuitano" questa antenna dello slot, eliminando quel problema.

Parte 2: piani di terra indipendenti per determinati sottosistemi "rumorosi" (o, per tale motivo, sottosistemi che devono essere particolarmente "silenziosi") su una scheda, che sono collegati al piano di massa a livello di sistema in un solo punto, servono a limitare le correnti di ritorno per i segnali all'interno di quel sottosistema solo a quell'area della scheda, impedendo loro di influenzare (o essere influenzati da) altri sottosistemi sulla scheda.

Ad esempio, supponiamo di avere un sistema di acquisizione dati basato su microprocessore che ha un ADC ad alta risoluzione e alcuni circuiti analogici di condizionamento del segnale a monte di quello. È possibile creare un piano di massa per i circuiti analogici e un altro per il microprocessore e il suo cristallo e altre periferiche digitali (ad esempio un chip di memoria flash di grandi dimensioni) e collegare ciascuno di questi a un piano di terra del sistema (o tra loro) a solo un punto. Ciò mantiene il rumore ad alta frequenza del cristallo e gli altri segnali I / O digitali a commutazione rapida del microprocessore fuori dal piano di massa per i circuiti analogici sensibili. Lo vedrai se guardi i layout delle schede di valutazione prodotte dai produttori per i loro chip ADC e DAC ad alta risoluzione.

In CPW o Coplanar Wavequide l'energia RF è tra i conduttori sulla parte superiore del substrato. Ciò è comune nei semiconduttori in cui è difficile accedere a un piano di massa e le distanze sono molto brevi. Per i PCB è necessario disporre di un fondo e questo viene definito guida d'onda complanare messa a terra (CPWG) o guida d'onda complanare supportata da conduttore (CBCPWG). La spaziatura via consiste nel creare un muro virtuale attraverso il quale l'energia RF non può fuoriuscire. Maggiore è la frequenza, più corta è la lunghezza d'onda e più vicine devono essere le vie. Ecco un link a un documento che lo mostra attraverso il test di diverse schede alle pagine 14-21.

http://mpd.southwestmicrowave.com/showImage.php?image=439&name=Optimizing%20Test%20Boards%20for%2050%20GHz%20End%20Launch%20Connectors