Расчет волнового сопротивления с помощью MWI-calculator от Rogers

Автор: Ревуцкий Степан Дмитриевич, ведущий инженер-разработчик СВЧ устройств ООО "НПП "ИТЭЛМА", автор блога "СВЧушки".

Эта статья посвящена расчету волнового сопротивления различных типов линий передачи. В материале акцент будет сделан на расчете характеристик микрополосковой линии (волновое сопротивление и потери) с учетом влияния различных параметров (в том числе, поверхностной шероховатости медной фольги).

В последние годы в ряде приложений применяются частоты миллиметрового диапазона1 длин волн. Например, Wireless Gigabit Alliance2 активно продвигает диапазон частот 60 ГГц, а в автомобильных радарах3 используется диапазон 76 — 81 ГГц.

Для разработчиков планарных СВЧ устройств это дополнительная головная боль, т.к. при разработке антенных элементов и различных элементов СВЧ-тракта приходится учитывать изменение относительной диэлектрической проницаемости (εr или Dk) и тангенса угла диэлектрических потерь (tg(δ) или Df) в рабочем диапазоне частот, т.к. в подавляющем большинстве случаев в документации на материал эти параметры указываются для частоты 10 ГГц. И еще одной проблемой становится учет поверхностной шероховатости медной фольги (Rq), т.к. на миллиметрах этот параметр определяет дополнительные потери в линии передачи (например, микрополосковой или полосковой) и фазовый набег4.

Не секрет, что одними из наиболее популярных СВЧ ламинатов являются материалы фирмы Rogers (RO3003, RO4350 и т.д.). И именно Rogers предлагает ряд информационных материалов и инструментов для оценки характеристик СВЧ ламинатов в миллиметровом диапазоне частот. Одним из таких инструментов является приложение Microwave Impedance Calculator (MWI)5, это приложение бесплатное, но для его использования необходимо зарегистрироваться на сайте Technology Support Hub6. Также MWI можно скачать в виде приложения для разных ОС – Windows, Android и iOS.

Рассмотрим основной функционал MWI на примере онлайн версии (рис.1). Приложение позволяет выбрать необходимый материал и его параметры, а также провести оценку влияния параметров материала на характеристики проектируемой линии передачи. Доступны три типа линий передачи (с некоторыми вариациями): микрополосковая, полосковая и копланарная (рис.2). Для каждого материала можно получить значение Dk для заданной частоты, а также получить значение поверхностной шероховатости меди для разных типов фольги (ED – электроосажденная или RLD – катанная). Учитывая эти данные, можно провести оценку потерь в линии передачи в заданном диапазоне частот (рис.3), а также изменение импеданса линии.

Один из вопросов, который возникает при использовании приложения, – какую модель потерь выбирать? В приложении доступно две модели потерь – «Hall-Huray»7 и «Morgan rule».

Рис.1. Рабочее окно MWI

Рис.1. Рабочее окно MWI

Рис.2. Типы линий передачи в MWI

Рис.2. Типы линий передачи в MWI

Ответ на этот вопрос можно получить, обратившись к руководству пользователя «MWI Instruction Manual»8 (рис.4). На рис.4 цифрой 1 отмечена область с параметрами, задающими дополнительные свойства медной фольги. Под цифрой 2 находится пояснение, что модель «Morgan rule» точна, когда используется на частотах до 10 ГГц. А вот модель «Hall-Huray» более точна на высоких частотах и является более широкополосной. Значит, для расчетов в миллиметровом диапазоне частот нужно использовать именно эту модель, тем более что на текущий момент времени она является одной из самых точных7 для оценки потерь в линии передачи. Но тут же, под цифрой 4, следует уточнение, что поверхностная шероховатость используется только в модели «Morgan rule». А это значит, что разработчику придется самостоятельно строить модель проектируемого устройства в какой-либо САПР, способной учитывать шероховатость медной фольги, и оценивать влияние шероховатости на характеристики проектируемого устройства9.

Рис.3. Оценка потерь в линии передачи в MWI

Рис.3. Оценка потерь в линии передачи в MWI

Рис.4. Модели потерь в MWI

Рис.4. Модели потерь в MWI

Для полноты картины осталось сказать о том, где в явном виде можно получить значение относительной диэлектрической проницаемости материала для нужной частоты. Для этого нужно выбрать пункт “Information” на панели инструментов (рис.5) и выбрать “Download Dk information”. После чего запрашиваемая информация появится в рабочем окне программы (рис.6).

Рис.5. Информация о Dk в MWI

Рис.5. Информация о Dk в MWI

Рис.6. Информация о Dk в MWI

Рис.6. Информация о Dk в MWI

Конечно, ряд моментов при использовании MWI вызывает некоторые вопросы (например, иногда по непонятным причинам, при выборе толщины меди показатель шероховатости не меняется). Но на текущий момент времени нет информации о другом бесплатном инструменте с подобным функционалом и базой данных по популярным материалам фирмы Rogers.

Источники:
  1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Миллиметровые_волны;
  2. https://ru.wikipedia.org/wiki/Wireless_Gigabit_Alliance;
  3. «Автомобильные радары. Пролог.», https://vk.com/@svchushki-avtomobilnye-radary-prolog;
  4. «Расчет волнового сопротивления. Часть 4. MWI (Rogers).», в вэб-версии статьи приведены ссылки на видео https://vk.com/@svchushki-raschet-volnovogo-soprotivleniya-chast-4-mwi-rogers;
  5. https://www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/en/mwi_calc2020.php;
  6. https://www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/en/home.php;
  7. Обзорный материал по моделям потерь можно найти в статье Игоря Зырина «Учет геометрической неоднородности поверхности проводника при проектировании печатных плат», https://www.altium-ru.com/sites/default/files/attachments/2020-06_СЭ_Учет-геометрической-неоднородно...;
  8. http://www.globalcommhost.com/rogers/acs/techsupporthub/en/docs/MWI-2019_software_manual_rev1.pdf;
  9. Нужно помнить, что после изготовления печатной платы поверхностная шероховатость может сильно отличаться от той, что дает Rogers, и связано это с тем, что при изготовлении печатной платы происходит дополнительное осаждение меди. Поэтому уровень шероховатости медной фольги на внутреннем слое (прилегающем к подложке печатной платы) может в разы отличаться от уровня шероховатости на внешнем слое («Copper Foils for High Frequency Materials», https://rogerscorp.com/-/media/project/rogerscorp/documents/advanced-connectivity-solutions/english/.... И в ряде случаев этот момент должен быть учтен при проектировании устройств, работающих в миллиметровом диапазоне. 

Мы всегда рады сотрудничеству с новыми авторами. Если у вас есть уникальная экспертиза или просто качественный материал, полезный инженерам-разработчикам электроники, мы с удовольствием поделимся им на страницах раздела Авторские статьи. Присылайте свои статьи на почту articles@rezonit.ru

Темы: СВЧ