Через забор

Рис. 1. Микрополосковая линия, экранированная сквозными ограждениями на печатной плате

Переходное ограждение , также называемое частоколом , представляет собой структуру, используемую в планарных электронных схемах для улучшения изоляции между компонентами, которые в противном случае были бы связаны электромагнитными полями . Он состоит из ряда сквозных отверстий , которые, если расположены достаточно близко друг к другу, образуют барьер для распространения электромагнитных волн пластинчатых мод в подложке. Кроме того, если необходимо также подавить излучение в воздухе над платой, то полосовая площадка с переходным ограждением позволяет электрически прикрепить экран к верхней стороне, но электрически вести себя так, как если бы он проходил через печатную плату.

Современная электроника имеет компоненты и узлы высокой плотности для достижения небольших размеров. Обычно многие функции интегрированы в одну и ту же плату или кристалл . Если они не экранированы должным образом друг от друга, может возникнуть множество проблем, включая плохую частотную характеристику, шумовые характеристики и искажения.

Перемычки используются для экранирования микрополосковых и полосковых линий передачи , ограждения кромок печатных плат, экранирования функциональных блоков друг от друга, а также для формирования стенок волноводов, интегрированных в планарный формат. Переходные ограждения дешевы и просты в установке, но занимают много места и не так эффективны, как сплошные металлические стены.

Цель

Планарные технологии используются на микроволновых частотах и ​​используют дорожки печатных плат в качестве линий передачи. Помимо межсоединений, эти линии могут использоваться для формирования компонентов функциональных блоков, таких как фильтры и соединители . Плоские линии легко соединяются друг с другом, находясь в непосредственной близости, — эффект, называемый паразитной связью . Связь возникает из-за краевых полей, распространяющихся от краев линии и пересекающих соседние линии или компоненты. Это желательная функция в устройстве, где она используется как часть конструкции. Однако нежелательно, чтобы поля соединялись с соседними блоками. Современные электронные устройства обычно должны быть небольшими. Это, а также стремление снизить затраты, приводит к высокой степени интеграции и расположению схемных блоков в менее чем желательной близости. Сквозные ограждения — это один из методов, который можно использовать для уменьшения паразитной связи между такими устройствами.

Среди многих проблем, которые могут быть вызваны паразитной связью, — уменьшение полосы пропускания , ухудшение неравномерности полосы пропускания , уменьшение выходной мощности усилителя, увеличение отражений , ухудшение коэффициента шума , нестабильность усилителя и создание нежелательных путей обратной связи.

В полосковой линии сквозные ограждения, идущие параллельно линии с обеих сторон, служат для соединения заземляющих плоскостей, предотвращая распространение мод с параллельными пластинами. Аналогичное устройство используется для подавления нежелательных мод в копланарном волноводе с металлической основой .

Структура

Рисунок 2. Схема микрополоски через забор

Переходное ограждение состоит из ряда переходных отверстий , то есть отверстий, которые проходят через подложку и металлизированы внутри для соединения с контактными площадками сверху и снизу подложки. В полосковом формате верхняя и нижняя часть диэлектрического листа покрыты металлической заземляющей пластиной, поэтому любые переходные отверстия автоматически заземляются на обоих концах. В других плоских форматах, таких как микрополосковые, земляная плоскость имеется только в нижней части подложки. В этих форматах обычной практикой является соединение верхних площадок переходного ограждения металлической направляющей (см. рисунок 2). Это все еще не полностью отгораживает поле, как это можно сделать при помощи полосковой линии. В полосковой линии поле может распространяться только между плоскостями заземления, но в микрополосковой линии оно может просачиваться через верхнюю часть переходного ограждения. Тем не менее, подключение верхних колодок улучшает изоляцию на 6-10 дБ . В некоторых технологиях удобнее формировать ограждение из проводящих столбиков, а не из переходных отверстий.

Рис. 3. Отливка металлических стенок для размещения над микрополосой через ограждения

Изоляцию можно дополнительно улучшить, поместив металлическую стену поверх переходного ограждения. Эти стенки обычно являются частью корпуса устройства. Большие отверстия в переходных ограждениях, показанные на рисунках 1 и 5, представляют собой отверстия для винтов для фиксации этих стенок на месте. Настенная отливка, принадлежащая этой схеме, показана на рисунке 3.

Рисунок 4. Эквивалентная схема через отверстие

При проектировании ограждения необходимо учитывать размер и расстояние между переходами. В идеале переходные отверстия должны действовать как короткозамыкатели, но они не идеальны, и эквивалентную схему переходного отверстия можно смоделировать как шунтирующую индуктивность. Иногда требуется более сложная модель, например, эквивалентная схема, показанная на рисунке 4. L ₁ обусловлена ​​индуктивностью контактных площадок, а C — емкостью между ними. R и L ₂ представляют собой соответственно сопротивление и индуктивность металлизации сквозного отверстия. Необходимо учитывать резонансы, в частности параллельный резонанс C и L ₂ позволит электромагнитным волнам проходить на резонансной частоте. Этот резонанс необходимо разместить за пределами рабочих частот соответствующего оборудования. Расстояние между ограждениями должно быть небольшим по сравнению с длиной волны (λ) в диэлектрике подложки, чтобы ограждение казалось твердым для падающих волн. Если он слишком велик, волны смогут проходить через зазоры. Общее эмпирическое правило — делать расстояние менее λ/20 при максимальной рабочей частоте.

Приложения

Рисунок 5. Через ограждения, защищающие край печатной платы.

Переходные ограждения используются в основном на радиочастотных и микроволновых частотах везде, где применяются плоские форматы. Они используются в технологиях печатных плат , таких как микрополосковые, керамических технологиях, таких как низкотемпературная керамика совместного обжига , монолитных микроволновых интегральных схемах и технологии «система в корпусе» . Они особенно важны в узлах изолирующих цепей, работающих на разных частотах.

Также называемые сквозными прошивками , сквозные ограждения можно использовать по краю печатной платы, пример можно увидеть на рисунке 5. Это можно сделать для предотвращения электромагнитных помех с другим оборудованием или даже для блокировки повторного проникновения излучения из других источников. по той же схеме.

Переходные ограждения также используются в волноводах после стены , также известных как ламинированные волноводы (LWG). В LWG два параллельных переходных ограждения образуют боковые стенки волновода. Между ними и верхним и нижним заземлением подложки находится электромагнитно изолированное пространство. В этом пространстве нет электрического проводника, но электромагнитные волны могут существовать внутри закрытого диэлектрического материала подложки, и направление их распространения определяется LWG. Эта технология обычно используется на частотах миллиметрового диапазона , и, следовательно, размеры довольно малы. Более того, хорошая изоляция требует, чтобы переходные отверстия были расположены близко друг к другу. Обычно 60 дБ между направляющими требуется изоляция , то есть 30 дБ на ограждение. Типичная спецификация ограждения W-диапазона ( 75–110 ГГц ), отвечающая этому требованию в LWG, составляет 0,003 дюйма (76 мкм) с переходными отверстиями, расположенными на расстоянии 0,006 дюйма (150 мкм) между центрами. Это может быть сложно изготовить, и более высокая плотность переходов иногда достигается за счет построения ограждения из двух расположенных в шахматном порядке рядов переходных отверстий.

Преимущества и недостатки

Заборы – это дешево и удобно. При использовании в плоских форматах их производство не требует дополнительных процессов. Например, на печатной плате они изготавливаются в том же процессе, что и рисунок дорожек. Однако сквозные заборы не могут обеспечить изоляцию, достижимую при цельных металлических стенах.

Перегородки занимают много ценной площади подложки и, следовательно, увеличивают общий размер конструкции. Заборы, расположенные слишком близко к охраняемой линии, могут ухудшить изоляцию, достижимую в противном случае. В случае полосковой линии эмпирическое правило состоит в том, чтобы размещать ограждения на расстоянии, по крайней мере, в четыре раза превышающем расстояние между трассой и плоскостью заземления от охраняемой линии.

Библиография

• Аршамбо, Брюс, Проектирование печатных плат для реального контроля электромагнитных помех , Springer, 2002 г. ISBN   1402071302 .
• Бахл, Индер, Сосредоточенные элементы для ВЧ и СВЧ схем , Artech House, 2003 г. ISBN   1580536611 .
• Харпер, Чарльз А., Высокопроизводительные печатные платы , McGraw Hill Professional, 2000 г. ISBN   0070267138 .
• Иоффе, Эля Б.; Лок, Кай-Сонг, Заземления для заземления: Справочник по схеме подключения к системе , John Wiley & Sons, 2010 г. ISBN   9780471660088 .
• Пао, Сеу-Юань; Агирре, Джерри, «Фазированная решетка», в Дуйсянь Лю; Пфайффер, Ульрих; Гжиб, Януш; Гоше, Брайан; Передовые технологии миллиметрового диапазона: антенны, упаковка и схемы , John Wiley & Sons, 2009 г. ISBN   047074295X .
• Пончак, Г.Э.; Тенцерис, Э.М.; Папаполимеру, Дж., «Связь между микрополосковыми линиями, встроенными в слои полиимида, для 3D-ММИЦ на кремнии» , IEE Proceedings - Microwaves, Antennas and Propagation , том 150, выпуск 5, страницы 344–350, октябрь 2003 г.